Themenangebote für Bachelor/Masterarbeiten
Abteilung Nichtlineare Phänomene

1 Schwarmdynamik in zweidimensionalen Partikelsystemen

(aktive Materie, Selbstorganisation, kollektive Dynamik)

(BA) Betr.: Prof. R. Stannarius,

Die Dynamik von sich selbstbewegenden (aktiven) Partikeln ist einer der aktuellen Brennpunkte der Soft-Matter-Physik. Um die spontane Selbstorganisation von lebenden Objekten wie in Fisch- oder Vogelschwärmen zu verstehen, werden minimalistische Modellsysteme berechnet bzw. in Experimenten untersucht. Man versucht, die kollektive Dynamik auf Wechselwirkungen zwischen einzelnen Einheiten zurückzuführen, die sich durch einfache Bewegungsgleichungen beschreiben lassen. Zu den Modellsystemen gehören Partikel auf einer vibrierenden Grundfläche, die geometrisch so präpariert sind, dass sie unter äußerer Anregung eine gerichtete Bewegung ausführen. Die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln führen je nach Belegungsdichte, Partikelgeometrie und Anregungsstärke zu kollektiven Bewegungsmustern, die experimentell untersucht werden sollen.

 

2 Nichtgleichgewichtsdynamik von flüssigen Filmen

(Hydrodynamik, dünne Filme, Hochgeschwindigkeitsphotographie)

 (BA,MA) Betr.: Prof. R. Stannarius,

Freistehende flüssige Filme formen Minimalflächen unter bestimmten gegebenen Randbedingungen, das heißt entsprechend der Form des aufspannenden Rahmens. Wenn diese Randbedingungen sich ändern, kann es zu kritischen Formumwandlungen kommen, wie beim Beispiel des Katenoidenkollaps. Katenoiden sind die Minimalflächen zwischen koaxialen Ringen, sie existieren stabil nur bis zu einem bestimmten Maximalabstand dieser Ringe, anschließend kollabieren sie, das heißt die Filme durchlaufen schnelle Formänderungen über Nichtgleichgewichtszustände. Diese sind abhängig von viskosen Eigenschaften des Filmmaterials und der umgebenden Luft sowie Träghetskräften. Ihre mathematische Beschreibung ist kompliziert. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera sollen solche Prozesse aufgenommen und analysiert werden.

 

3 Smektische Schäume

(Hydrodynamik, Skalengesetze)

(BA,MA) Betr.: Prof. R. Stannarius,
Schäume spielen in unserer alltäglichen Umgebung eine nicht zu unterschätzende Rolle, in technologischen Prozessen, in Lebensmitteln, in biologischen Systemen. Schäume altern, indem einzelne Zellen sich vereinigen oder einige Zellen auf Kosten anderer wachsen, so dass eine Strukturvergröberung nach bestimmten Skalengesetzen erfolgt. Während Schäume wässriger Mischungen recht gut untersucht sind  und vielfältige Anwendung gefunden haben, sind smektische Schäume bisher kaum untersucht. Ihr Vorteil bei der Charakterisierung von Alterungsprozessen und Skalengesetzen ist, dass Drainage (Abfließen der wässrigen Komponente) nicht auftritt. Im Experiment sollen solche Schäume präpariert und ihre Zerfallsdynamik charakterisiert werden.

4 Entmischung von Partikelsystemen

(Spontane Musterbildung, Segregation, granulare Materie)

(BA,MA) Betr.: Prof. R. Stannarius
Granulate zeigen unter bestimmten 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 und Röntgentomographie sollen solche Entmischungsprozesse unter verschiedenen geometrischen Bedingungen studiert und quantitativ charakterisiert werden.

5 Defektdynamik in anisotropen Flüssigkeiten

(Hydrodynamik, topologische Defekte)

(BA,MA) Betr.: Prof. R. Stannarius
Topologische defekte in quasi-zweidimensionalen anisotropen Flüssigkeiten können miteinander ähnlich wie elektrisch geladene Partikel
wechselwirken. Die topologische Ladung übernimmt die Rolle der elektrischen Ladung. Entgegengesetzt geladene Defekte stoßen sich ab, gleichnamige Defekte ziehen sich an und können sich gegenseitig annihilieren. Die Besonderheit besteht darin, dass solche Defekte nur Singularitäten in einem Vektorfeld sind, keine Masse haben und mit dem Material nicht fest verbunden sind, sich aber dennoch wie Teilchen verhalten.

Wir führen sowohl Experimente in quasi-zweidimensionalen Flüssigkeitsschichten als auch numerische Simulationen durch. Die Bewegungsgleichungen sind mit Hilfe eines finite-Elemente-Algorithmus zu lösen und mit den experimentellen Daten zu vergleichen.

6 Ferrofluide in rotierenden magnetischen Feldern

(magnetische Flüssigkeiten, Hydrodynamik)
(MA) Betr.: Prof. R. Stannarius
Ferrofluide können unter der Einwirkung äußerer magnetischer Felder eine Reihe von außergewöhnlichen Phänomenen zeigen, dazu gehören musterbildende Instabilitäten, unter anderem die Herausbildung von Labyrinth- oder Stachelstrukturen. Auch die Kopplung der Magnetisierung an mechanische Eigenschaften führt zu dynamischen Instabilitäten, negativen effektiven Viskositäten und ähnlichen Effekten. Die Reorientierung von Ferrofluiden und anderen superparamagnetischen Flüssigkeiten in rotierenden magnetischen Feldern soll mit Hilfe einer Torsionswaage bestimmt und im Rahmen einen Modells interpretiert werden.