Themenangebote für Forschungsbelege und Diplomarbeiten

Abteilung Nichtlineare Phänomene

1. Optisch biaxiale Flüssigkeiten

(FB+Diplom) Betr.: Dr. A. Eremin, Prof. R. Stannarius
Nachdem seit mehreren Jahrzehnten nach ihnen vergeblich gesucht wurde, ist vor kurzem offenbar der Nachweis gelungen, dass es optisch biaxiale thermotrope nematische Flüssigkeiten gibt. Diese können unter anderem eine spontane elektrische Polarisation besitzen. Die flexoelektrische (durch Verbiegung erzeugte) Polarisation neuer Materialien prädestiniert sie für Anwendungen in mechanischen Sensoren. Ziel der Arbeit ist eine experimentelle Untersuchung des elektro-optischen Schaltens biaxialer nematischer Materialien in dünnen Zellen.
Literatur: M.-G. Tamba et al., Eur. Phys. J. E, 22 85 (2007).


Abb: Inversionswände in einer dünnen nematischen Zelle bei unterschiedlichen elektrischen Feldstärken, beobachtet unter gekreuzten Polarisatoren im optischen Mikroskop. Die beobachteten Brochard-Wände für das Direktorfeld haben Ähnlichkeit mit Bloch- bzw. Neel-Wänden in Ferromagneten.

2. Spontane Entmischung von Granulaten

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius, DP Frank Rietz
Granulate zeigen unter bestimmten experimentellen Bedingungen flüssigkeitsähnliche Eigenschaften, andererseits findet man einzigartige dynamische Effekte wie z. B. die spontane Entmischung granularer Mixturen unter kontinuierlicher Energiezufuhr (Schütteln, Rotieren). Mit Hilfe von mechanisch-optischen Experimenten sowie NMR-Tomographie sollen diese Entmischungsprozesse unter verschiedenen geometrischen Bedingungen studiert und quantitativ charakterisiert werden.
Literatur: F. Rietz, R. Stannarius, Phys. Rev. Lett. 100,078002, (2008)
http://ecommons.library.cornell.edu/bitstream/1813/14105/2/Rietz_high_quality_mpeg2.mpg

Abb: Segregations- und Konvektionsmuster einer Granulatmischung in einer dünnen Zelle, die um ihre horizontale Achse gedreht wird, Zellgröße ca. 50 cm x 8 cm x 1 mm. Es haben sich neun Konvektionsrollen ausgebildet. Helle und dunkle Bereiche entsprechen Gebieten, in denen die kleinere bzw. größere Komponente der Mischung angereichert ist.

3. Scherzonen in granularen Mischungen

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius (Kollaboration mit Dr. T. Börzsönyi, KFKI Budapest)
Schert man Granulate, dann entstehen sogenannte Scherzonen. Die durch diese Zonen getrennten Bereiche eines Granulatbettes gleiten aufeinander ab. Man kennt solche Phänomene zum Beispiel von Bergrutschen (vgl. Nachterstedt am 19. Juli 2009). Mit Experimenten sollen solche Scherzonen an Modellsystemen untersucht werden. Neben invasiven Charakterisierungstechniken sollen tomographische Methoden für 'in vivo'-Untersuchungen angewandt werden.
Literatur http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0906/0906.2090v1.pdf

Abb: Brechung und Beugung einer Scherzone, die durch eine Grenzfläche zwischen zwei Granulaten mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten verläuft (Illustration von T. Börzsönyi und T. Unger)

4. Suspensionen anisotroper Farbstoffkristallite

(FB+Diplom) Betr.: Dr. A. Eremin, Prof. R. Stannarius (Kollaboration mit Dr. S. Klein, HP Bristol)
Suspensionen stäbchenförmiger Kristallite in organischen Lösungsmitteln können nematische Phasen bilden. Sie zeigen Doppelbrechung, orientieren sich an Grenzflächen und lassen sich mit Hilfe von elektrischen Feldern schalten. Sie sind potentielle Kandidaten für eine Anwendung als elektronisches Papier. Im Projekt werden die Struktureigenschaften und die Dynamik dieser Phasen untersucht.

Abb: Transmissions-Mikroskopiebild einer nematischen Suspension von Kristalliten eines roten Farbstoffes in Dodekan. Um Lufteinschlüsse in der Probenzelle orientiert sich das Material und zeigt eine typische doppelbrechende Textur.

5. Flüssigkristalline Filamente

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius
Dünne flüssige Filamente sind einzigartige Strukturen, die nur von einigen wenigen flüssigkristallinen Phasen gebildet werden. Diese Objekte haben Durchmesser einiger Mikrometer und Längen von einigen Millimetern. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Fluiden , in denen die Rayleigh-Plateau-Instabilität zum Zerfall in einzelne Tropfen führt, tritt diese Instabilität bei ihnen nicht auf. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Filamente sind weitgehend unerforscht. Ihre experimentelle Untersuchung mittels akustischer und elektrischer Anregung ist Aufgabe des Projektes.
Literatur: J. Petzold et al., Soft Matter 5 3120 (2009)

Abb: Filamente aus einem smektischen (bent-core-)Mesogen.

6. Hydrodynamische Instabilitäten in Ferrofluiden

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius
Ferrofluide (superparamagnetische Flüssigkeiten) zeigen unter der Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes eine Reihe von musterbildender Instabilitäten. Inhalt der Arbeit ist die Charakterisierung der Saffmann-Taylor-Instabilität dünner Zellen. Diese bildet sich aus, wenn ein niederviskoses gegen ein höherviskoses Fluid gedrückt wird. Theoretische Vorhersagen zu dieser Instabilität im angegebenen Experiment sind bekannt, aber es existiert bisher keine experimentelle Bestätigung. Eine Messapparatur ist aufzubauen, Experimente sind durchzuführen und auszuwerten.

7. Lehmann-Effekt: Molekulare Motoren in chiralen Flüssigkeiten?

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius
Lehmann-Effekte beschreiben die durch Gradienten einer physikalischen Größe hervorgerufene makroskopische Rotation eines Systems. Ein Beispiel dafür ist die durch Diffusion von Wassermolekülen durch einen dünnen flüssigkristallinen Film hervorgerufene Drehung der Orientierung. Dieser bisher experimentell kaum untersuchte Effekt soll quantitativ charakterisiert werden. Dazu ist eine Messapparatur zu konstruieren, mit der das Drehmoment auf einen frei stehenden Film als Funktion der hindurch diffundierenden Stoffmenge und Stoffart bestimmt werden kann.
Literatur: Y. Tabe and H. Yokoyama, Nature Materials 2 806 (2003).

8. Faraday-Instabilität

(FB+Diplom) Betr.: Dr. Thomas John, Prof. R. Stannarius
Die Faraday-Instabilität findet man in Flüssigkeiten, die einer vertikalen Vibration ausgesetzt werden. Auf der Oberfläche einer solchen Flüssigkeiten bilden sich Streifen-, Rechteck- oder Hexagonmuster. Es soll eine Apparatur zur Untersuchung dieser Instabilität (Einfluss der Anregungsfunktion) aufgebaut werden und Experimente zur Aufstellung der Strukturphasendiagramme durchgeführt werden. Gegenüber bisherigen Untersuchungen neu ist die Untersuchung von komplexen Anregungsformen wie Überlagerungen von harmonischen Funktionen, insbesondere unter Berücksichtigung der zeitlichen Symmetrie dieser Anregungsformen. Der Einfluss der Zeitsymmetrie von Anregungsformen auf die Dynamik parametrisch getriebener Systeme ist eine grundlegende Fragestellung der nichtlinearen Physik.
Literatur: R. Stannarius, Am. J. Phys. 77 164 (2009)

9. Raumzeitliche Dynamik von Protonenbändern bei der Grünalge Chara australis

(FB+Diplom) Betr.: Dr. A. Eremin, Prof. R. Stannarius.
Oszillatorische und räumlich modulierte Prozesse spielen eine wichtige Rolle bei der biologischen Informationsverarbeitung. Grundlage für die Musterbildung ist die Kopplung von autokatalytischen Reaktionen des Stoffwechsels mit Transportprozessen.
Die Grünalge Chara australis eignet sich besonders gut für Experimente zur Strukturbildung in biologischen Systemen, da sie einfach experimentell zu untersuchen ist (Länge von 10 cm!) und die Muster durch Licht beeinflussbar sind (Photosynthese). Die Zellen bilden durch Photosynthese alternierende sauere und alkalische Banden aus, wobei vornehmlich der Transport von Protonen und Carbonat-Ionen über die Plasmamembran der Zellen an der Bandenbildung beteiligt ist.
Gegenstand des Forschungsbelegs ist die Untersuchung der Mechanismen, die an der Musterbildung beteiligt sind. Hierzu soll die Strömung mittels räumlich und zeitlich aufgelöster Kernspintomographie erfasst werden. Durch Lichtpulse können lokale Änderungen der Photosyntheseaktivität induziert werden, um deren Effekt auf die Strömung zu bestimmen. Mit fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen soll die raumzeitliche Dynamik der Protonengradienten und elektrochemischen Potentialdifferenzen über der Plasmamembran bestimmt werden.
Literatur: A. Eremin et al., Photochem. Photobiol. Sci., 6, 103-109 (2007)

10. Smektische Schäume

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius
Schäume auf der Basis von Wasser-Tensid-Mischungen recht gut untersucht sind und vielfältige Anwendung gefunden haben, sind smektische Schäume, die eine viel höhere Stabilität aufweisen, bisher kaum bekannt. Im Experiment sollen solche Schäume präpariert und ihre Zerfallsdynamik charakterisiert werden. Es sollen solche Schäume hergestellt und strukturell sowie dynamisch charakterisiert werden. Vorbereitungen für Experimente unter Mikrogravitation sollen realisiert werden.
Literatur: T. Trittel, Diplomarbeit, Magdeburg 2009

11. Rayleigh-Plateau-Instabilität in Ferrofluiden

(FB+Diplom) Betr.: Prof. R. Stannarius
Um einen stromdurchflossenen Draht kann sich ein stabiler Zylinder eines Ferrofluids ausbilden, wenn die magnetische Feldstärke groß genug ist, um die Rayleigh-Plateau-Instabilität zu unterdrücken. Letztere führt in Flüssigkeiten dazu, dass freie zylindrische Formen zu einzelnen Tropfen zerfallen. Es existieren bisher keine entsprechenden Experimente, die dieses Phänomen quantitativ untersuchen. Eine Messapparatur ist aufzubauen, Experimente sind durchzuführen und auszuwerten.
Literatur: D. Rannacher, New J. Phys. 8 108 (2006)

Abb: Zwei Solitonen auf einem Filament aus einem Ferrofluidzylinder mit einem eingeschlossenen stromdurchflossenen Draht (aus oben zitierter Arbeit).