Forscher entdecken extrem schwache Oberflächenkräfte, über die sich einzelne Körner gegenseitig anziehen

Sandkörner bilden Tropfen

Chicago (USA) - Wenn ein Stein in feinen Sand fällt, spritzen die Körner wie Wassertropfen in die Höhe. Die Ursache für dieses Phänomen fanden nun amerikanische Physiker mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und eines Rasterkraftmikroskops heraus. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, seien dafür extrem schwache Kräfte verantwortlich, die analog zu der Oberflächenspannung in Wasser die winzigen Körner zu Sandtropfen zusammenballen lassen.

"Diese Clusterbildung wird von anziehenden Kräften im Nanonewton-Bereich angetrieben", schreiben John R. Royer und seine Kollegen von der University of Chicago. Sie entstehen aus einer Kombination von van der Waals-Kräften und und Kapillarbrücken zwischen den Nanometer feinen, unebenen Oberflächen der Körner. Für dieses Ergebnis ließen die Wissenschaftler etwa 100 Mikrometer große Glaskörnchen durch eine enge Düse fallen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erkannten sie, wie sich während des Falles die Körner zu kleinen Tropfen zusammenballten.

Um die dabei wirkenden Kräfte zwischen den Körnern messen zu können, griffen die Forscher zu einem Rasterkraftmikroskop. Dabei entdeckten sie, dass sich - im Gegensatz zu bisherigen Annahmen - eine Oberflächenspannung zwischen den Körnern ausbilden konnte. Diese zeigte sich jedoch etwa 100.000-mal kleiner als die in Wassertropfen wirkende Oberflächenspannung. Dennoch waren diese Kräfte groß genug, dass sich die Glaskörnchen zu den Sandtropfen sammeln konnten.

"Die Konsequenzen solcher kleinen, anziehenden Kräfte könnten viel weiter reichen als bis zu frei fallenden Strömen aus Körnern", beurteilt Detlef Lohse von der niederländischen Universität Twente diese Ergebnisse. Viele Prozesse - von der Bildung von Sanddünen über die Anordnung von Sandkörnern in der Atmosphäre bis zur Kontrolle von körnigem Schüttgut - könnten mit der nun entdeckten Oberflächenspannung zwischen festen Partikeln besser verstanden werden.