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Physikalisches Kolloquium
Kolloquium der Theor. Physik
Gruppenseminar der Theorie 1

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Wie verhält sich ein Fluid in extrem eingeschränktem Raum?

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Die Physik von zweidimensionalen Flüssigkeiten unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von den Flüssigkeiten in drei Dimensionen wie es zum Beispiel das Auftreten einer neuartigen hexatischen Phase zeigt, für das es in drei Dimensionen kein Analogon gibt.

Flüssigkeiten, die eingesperrt sind in beschränkten Geometrien, vermitteln gerade zwischen dieser zweidimensionalen und der dreidimensionalen Welt. Wissenschaftlern aus einer Kooperation zwischen der Universität Mainz und Erlangen ist es gelungen, eine systematische, theoretische Beschreibung für Fluide, die zwischen zwei planparallelen Platten extrem eingesperrt sind, zu erreichen.

Setzt man ein zweidimensionales Referenzsystem als bekannt voraus, so kann man, was die Wissenschatler gezeigt haben, mit Hilfe einer geeignet gewählten sogenannten Clusterentwicklung den Einfluss des neuen Freihheitsgrades bei leichtem Erhöhen des Plattenabstandes analytisch zu berechnen.

Dabei wird implizit der versteckte Kleinheitsparameter des Systems offengelegt, ganz ähnlich wie bei einer Virialentwicklung mit dem idealen Gas als Referenz.

Des Weiteren erlaubt dieser theoretische Zugang eine exakte Berechnung der Korrektur zur freien Energie, welche die thermodynamischen Eigenschaften bestimmt.

Die Wissenschaftler zeigen, dass das Phasenverhalten einer zweidimensionalen Flüssigkeit in die dreidimensionale Welt hineinreicht, und untermauern diese Vorhersage durch den Vergleich mit Simulationsdaten. Die Theorie ist weiterhin universell anwendbar sowohl auf der atomaren Skala, sowie gelöste mikrometergroße Partikel, sogenannte kolloidale Teilchen.

Explizit lässt sich mit der Clusterentwicklung zudem die extrem eingesperrte Flüssigkeit auf eine zweidimensionale Flüssigkeit mit einer effektiven Paarwechselwirkung abbilden. Derart extrem eingschränkte Fluide treten natürlicherweise in Biomembranen auf, innerhalb der eingelagerte, stark wechselwirkende Proteine sich lateral frei bewegen können.

Thomas, 2012-12-13