Einfache molekulare Flüssigkeiten wie Wasser oder Glycerin sind für technische Anwendungen, in der Biologie oder auch für das Verständnis von Eigenschaften im flüssigen Zustand von großer Bedeutung. Forschern am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) ist es nun gelungen, flüssiges Glycerin in einem völlig unerwarteten gummiartigen Zustand zu beobachten.
In ihrem Artikel veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenberichten die Forscher, wie sie im Vakuum mit einem gepulsten Laser schnell expandierende Blasen auf der Oberfläche der Flüssigkeit erzeugten. Allerdings verhielt sich die dünne, mikrometerdicke Flüssigkeitshülle der Blase nicht wie erwartet wie eine viskose Flüssigkeit, die Verformungsenergie ableitet, sondern wie die elastische Hülle eines Spielzeugballons aus Gummi, die elastische Energie speichern und abgeben kann.
Es ist das erste Mal, dass eine Elastizität beobachtet wurde, die das Fließverhalten in einer Newtonschen Flüssigkeit wie Glycerin dominiert. Seine Existenz lässt sich nur schwer mit gängigen Vorstellungen über die Wechselwirkungen in flüssigem Glycerin in Einklang bringen und motiviert die Suche nach umfassenderen Beschreibungen. Überraschenderweise bleibt die Elastizität über so lange Zeiträume von mehreren Mikrosekunden bestehen, dass sie für sehr schnelle technische Anwendungen wie mikrometerbegrenzte Strömungen unter hohem Druck wichtig sein könnte. Dennoch bleibt die Frage ungeklärt, ob dieses Verhalten eine spezifische Eigenschaft von flüssigem Glycerin ist oder vielmehr ein Phänomen, das in vielen molekularen Flüssigkeiten unter ähnlichen Bedingungen auftritt, aber bisher nicht beobachtet wurde.
Das Team schlägt vor, dass die hohe Dehnungsrate und die begrenzte Dicke der Hülle dazu führen, dass die einzelnen Moleküle Gruppen bilden, die auf korrelierte und kollektive Weise verschoben werden. Diese Änderung würde den elastischen Zustand über einen längeren Zeitraum stabilisieren, als dies im Gleichgewichtszustand von Glycerin möglich wäre, in dem die einzelnen Moleküle einer schnellen Diffusion unterliegen. „Wir wollen diesen ungewöhnlichen Zustand besser verstehen“, sagt Hauptautorin und Doktorandin Meghanad Kayanattil, „denn er könnte uns viel über kollektive Erregungen in ungeordneten Systemen sagen.“
Das Vorhandensein eines solchen gummiartigen Zustands in flüssigem Glycerin wirft die Frage auf: Sind ähnliche Effekte in anderen flüssigen Substanzen möglich? Insbesondere die Bildung elastischer Blasen in Wasser wäre eine große Errungenschaft, da es sich um die wichtigste und am besten untersuchte Flüssigkeit mit Auswirkungen auf zahlreiche wissenschaftliche Bereiche handelt. Allerdings bildeten sich die Glycerinblasen nur in einer Vakuumumgebung, wie das MPSD-Team zeigte. Dies stellt ähnliche Experimente mit Wasser vor einige Herausforderungen, da es unterhalb des Dampfdrucks von 32 mbar zu sieden beginnt – deutlich über dem Druck, bei dem die Experimente stattfinden müssen.
Die Forschung wurde von Mitgliedern der Scientific Support Unit Ultrafast Beams des Instituts und dem Gastwissenschaftler Zhipeng Huang von der Universität Duisburg-Essen durchgeführt. Ein innovativer wissenschaftlicher Ansatz und die richtige Wahl der Parameter führten zur Entdeckung dieses neuartigen elastischen Verhaltens. „Unser Experiment lädt uns ein, die Zusammenhänge und Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen neu zu überdenken“, sagt Hauptforscher Sascha Epp.
„Im nächsten Schritt wollen wir die molekulare Wechselwirkung und Struktur der transienten Blasenhülle untersuchen und prüfen, ob dieser Effekt auch in einer Reihe anderer Flüssigkeiten erzeugt werden kann, deren molekulare Wechselwirkungen sich von denen von Glycerin unterscheiden.“
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Meghanad Kayanattil et al., Gummiartige Elastizität im lasergesteuerten freien Oberflächenfluss einer Newtonschen Flüssigkeit, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2301956120