Thermisch induzierte Wechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Teilchen

1. Mai 2017, 09:00
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In polaren Flüssigkeiten tragen elektrisch neutrale Teilchen bei Temperaturunterschieden eine Ladung, berichten Physiker aus Wien und Cambridge

Wien/Cambridge – Elektrisch geladene Teilchen üben starke Kräfte aufeinander aus: Sind sie verschieden geladen, ziehen sie sich an, bei gleicher Ladung stoßen sie einander ab. Forscher der Unis Wien und Cambridge berichten nun im Fachjournal "PNAS" über Ergebnisse einer Computersimulation, wonach auch zwischen elektrisch neutralen Teilchen ähnliche Kräfte wirken können, wenn eines heiß und das andere kalt ist.

Zwischen ruhenden Körpern, die eine elektrische Ladung – entweder positiv oder negativ – tragen, wirkt eine starke Kraft. Diese elektrostatische Kraft ist umso stärker, je größer die Ladung ist und nimmt mit der Entfernung ab. Dabei gilt: gleichartige Ladungen stoßen einander ab, unterschiedliche Ladungen ziehen einander an.

Polare Flüssigkeit

Verblüffenderweise können auch elektrisch neutrale Teilchen dazu gebracht werden, sich so zu verhalten, als ob sie eine Ladung tragen, wie die Forscher nun berichten. Konkret tritt der Effekt ein, wenn mikroskopisch kleine Teilchen in einer geeigneten Flüssigkeit gelöst sind und im Vergleich zur umgebenden Flüssigkeit aufgeheizt bzw. gekühlt werden. Je größer der Temperaturunterschied ist, umso stärker sind auch die Kräfte. Diese nehmen ebenso wie die elektrostatische Kraft mit der Entfernung ab.

Eine geeignete Flüssigkeit, in der sich dieser Effekt realisieren ließe, ist Wasser. Das hat mit der besonderen Eigenschaft von Wassermolekülen zu tun. Diese sind insgesamt elektrisch neutral, an einem Ende aber positiv geladen, am anderen negativ, die Wissenschafter bezeichnen dies als "elektrisches Dipolmoment". Wasser wird daher als polare Flüssigkeit bezeichnet.

In solchen polaren Flüssigkeiten tritt der nun beschriebene Effekt auf: Bei Temperaturunterschieden um die aufgeheizten bzw. abgekühlten Teilchen beginnen sich die Moleküle nämlich auszurichten. "Diese Ausrichtung ist nicht statisch, die Moleküle bewegen sich immer. Im Mittel sind sie aber ausgerichtet", sagte Christoph Dellago, der mit seinem ehemaligen Studenten Peter Wirnsberger und Kollegen die Studie durchgeführt hat. Wirnsberger macht derzeit sein Doktorat an der Uni Cambridge.

Simulation am Vienna Scientific Cluster

Die Ausrichtung von Molekülen mit einem elektrischen Dipolmoment führt zu einem elektrischen Feld, das mit jenem einer elektrischen Ladung identisch ist. "Das führt dazu, dass die Teilchen eine effektive Ladung tragen", so Dellago.

Identisch sind damit auch die Kräfte, die durch die Flüssigkeit vermittelt werden. Das heißt, dass ein Teilchen, das wärmer als die umgebende Flüssigkeit ist, und ein Teilchen, das kälter als die Flüssigkeit ist, einander anziehen. Und wenn zwei Teilchen die gleiche Temperatur haben, die Flüssigkeit aber kühler oder wärmer ist, stoßen sie einander ab, weil sie effektiv die gleiche Ladung tragen.

Am Hochleistungsrechner Vienna Scientific Cluster (VSC) haben die Forscher das Phänomen für ein Modellsystem aus mehr als 10.000 Molekülen simuliert. Sie hoffen nun auf eine baldige experimentelle Bestätigung des Effekts. Kühlen bzw. aufheizen ließen sich die Teilchen per Laser. Dellago geht davon aus, dass man einen Temperaturunterschied von 20 bis 30 Grad brauchen würde, um den Effekt im Wasser nachzuweisen.

Möglicherweise lassen sich in Zukunft solche thermisch induzierte Wechselwirkungen etwa dazu verwenden, um durch kontrollierte Temperaturänderungen die Kräfte zwischen Teilchen gezielt zu steuern und so Strukturen zu bilden, so der Forscher. (APA, 1.5.2017)

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