Vergröberungsdynamik ferromagnetischer granularer Netzwerke - Experiment und Simulation

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Reinhard Richter
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453252565

WAS: Magnetische Dipole agglomerieren aufgrund ihrer gerichteten attraktiven Wechselwirkung (De Gennes & Pincus, 1970), und so auch magnetisierte Stahlkugeln. Schüttelt man dagegen eine Mischung aus Glas- und Stahlkugeln stark, so wird die Agglomeration verhindert, die Mischung bleibt in einer "Gasphase". Senkt man die Vibrationsamplitude, so formieren sich unterhalb einer Schwelle zunächst Ketten und Ringe aus Stahlkugeln, die sich mit der Zeit zu ausgedehnten Netzwerken verbinden, welche schließlich zu kristallit-ähnlichen Agglomeraten vergröbern (Blair & Kudrolli, 2003). Dieser Übergang ähnelt der Viskoelastischen Phasenseparation (VPS), wie sie zuerst von Tanaka (2000) für molekulare Mischungen beschrieben wurde. Dort erfolgt die Trennung durch die abweichende Scherviskosität der beiden Komponenten, was Tanaka als dynamische Asymmetrie bezeichnet. Auch in unserer Granulatmischung führen die magnetischen Wechselwirkungen zu einer - im Vergleich zur Glaspartikelphase – stark erhöhten Scherviskosität. In diesem Projekt untersuchen wir die grundlegende Frage: "Kann die Vergröberungsdynamik von Ferrogranulat als VPS im Millimeterbereich beschrieben werden?"Um dies zu klären untersuchen wir die zeitliche Entwicklung von Ordnungsparametern, wie netzwerkspezifische Effizienz, Knotengrad und Schleifenzahl, sowie Größen die Phasenseparation in Ferrofluiden erfassen, wie Wellenzahl, Diffussionskoeffizient und Klustergröße. Durch aufgeprägte magnetische Felder (parallel und senkrecht zur Schalenebene), sowie durch veränderte Zusammensetzung der Granulate möchten wir VPS Kontrollieren/Fördern/Unterdrücken.WIE: Wir führen Experimente und Simulationen durch. Im Experiment wird eine flache Schale periodisch geschüttelt und mit einer Kamera beobachtet. Messdaten werden mit Bildverarbeitung, einem Magnetometer und durch magneto-optische Detektion gewonnen. In molekulardynamischen Computersimulationen werden die Glaskugeln als harte Kugeln modelliert, und für die suszeptiblen Stahlkugeln ein Kern-Schale-Modell entwickelt. Im Experiment zeigt sich die komplexe magnetische Wechselwirkung der suszeptiblen Stahlkugeln, es ist jedoch schwierig Randeffekte zu unterdrücken, und die Variation der Mischungen ist langwierig. Komplementär erlaubt der Computer ideale Bedingungen zu simulieren, und schnell die Zusammensetzung zu variieren, Vereinfachungen bei den magnetischen Wechselwirkungen sind jedoch unausweichlich.WARUM: Unser Projekt verbindet die vier Forschungsrichtungen: Granulat, magnetische Nanopartikel/Flüssigkeiten, Phasenübergänge sowie Netzwerke. Es soll daher nicht nur VPS in einem ferromagnetischen Granulat erklären, sondern auch wichtige Hinweise für andere Systeme liefern, in denen magnetische Wechselwirkungen zwischen Partikeln zu dynamischer Asymmetrie führen. Die Beispiele reichen von der Sedimentation in magnetorheologischen Suspensionen bis zur Agglomeration von magnetisiertem Sternenstaub in der Frühphase der Planetenbildung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Sofia Kantorovich