Nanopartikel: 80 Jahre alte Theorie erstmals experimentell bestätigt

    24. Oktober 2017, 12:39
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    Direkte Messung von "Kramers Turnover"

    Wien/Zürich – Im Jahr 1940 stellte der Physiker Hendrick Kramers eine Theorie darüber auf, wie die Reibung zwischen winzigen Partikeln und ihrer Umgebung die Wahrscheinlichkeit eines Wechsels zwischen unterschiedlichen Zuständen beeinflusst. Einem internationalen Forscherteam mit österreichischer Beteiligung ist es nun erstmals gelungen, diese Theorie experimentell zu beweisen.

    Betrachtet man kleinste Partikel in Flüssigkeiten oder Gasen unter einem Mikroskop, dann sieht es aus, als ob sie sich wie von Geisterhand bewegen. Nach ihrem Entdecker, dem schottischen Botaniker Robert Brown, wurde der Effekt als "Brownsche Bewegung" bekannt. Ausgelöst wird sie von der ungeordneten Wärmebewegung der umgebenden Moleküle, welche das Brownsche Teilchen sozusagen ständig anrempeln.

    Zwei entgegengesetzte Kräfte

    Wie stark die Bewegung ausfällt, wird von zwei widerstreitenden Effekten bestimmt: Einerseits erzeugen die Zusammenstöße mit den umgebenden Molekülen Reibung, die die Nanopartikel verlangsamt, andererseits treibt die bei steigender Umgebungstemperatur zunehmende Unruhe die Bewegung an.

    Dieses Gegenspiel von Reibung und Wärmebewegung beeinflusst auch Übergänge zwischen unterschiedlichen Zuständen eines Systems, etwa bei chemischen Reaktionen. Damit ein solcher Wechsel stattfinden kann, muss oft eine gewisse Energiebarriere überwunden werden, welche schnelle Wechsel zwischen den Zuständen verhindert. Ist ein Teilchen sozusagen über den Berg, vollzieht sich die Veränderung sprunghaft.

    Wie die Übergänge aber genau von Statten gehen bzw. unter welchen Umständen Partikel wie wechselfreudig sind, ist für Phasenübergänge, den Ablauf von chemischen Reaktionen oder die Faltung von Proteinen von Bedeutung.

    Reibung beeinflusst Energietransfer

    Der niederländische Physiker Kramers zeigte einerseits, dass die Übergangsrate sinkt, je höher die Barriere zwischen beiden Zuständen ist, was so weit logisch ist. Betrachtet man jedoch den Einfluss der Reibung auf die Übergangsrate, ist der Zusammenhang weniger einfach: Gibt es geringe Reibung, sind demnach die Übergänge selten, weil das System nur langsam Energie aus der Umgebung ziehen kann, um die Barriere zu überspringen.

    Interessanterweise sind solche Sprünge bei großer Reibung ebenso selten, weil dann die Bewegung des Systems selbst sehr langsam ist. Am höchsten ist die Übergangsrate bei mittlerer Reibung, weil dann wieder Schwung hineinkommt und ein Partikel genug Energie sammeln kann, um die Barriere zu überwinden. Den Punkt mit der höchsten Sprung-Wahrscheinlichkeit bezeichnet man als "Kramers Turnover" (Kramers Wendepunkt).

    Kramers Turnover auf der Spur

    Die Wissenschaftergruppe um Lukas Novotny von der ETH Zürich, der auch der Wiener Physiker Christoph Dellago von der Uni Wien angehörte, hat sich mit einem Experiment an die Fersen dieses ominösen Punktes geheftet und im Fachjournal "Nature Nanotechnology" darüber berichtet. Dazu hielten sie ein frei schwebendes Nanopartikel in einer Laserfalle fest. Diese war so aufgebaut, dass sozusagen zwei Töpfe entstanden, die von einer Energiebarriere getrennt waren.

    Das Teilchen in der Falle stieß immer wieder mit den Gasmolekülen in seiner Umgebung zusammen. Die Wissenschafter regulierten die Reibung, indem sie den Druck des Gases exakt variierten, und zeichneten auf, unter welchen Bedingungen das Nanoteilchen wie häufig den Topf wechselte. Tatsächlich fanden die Wissenschafter "Kramers Turnover" genau dort, wo der Physiker ihn in seinen theoretischen Berechnungen vor 77 Jahren vorhergesagt hat. (APA, red, 24.10.2017)

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