Rollende Schwärme: Mikrokugeln organisieren sich selbst

Schwarmbildung der rotierenden Mikrokugeln

Vögel, Fische, Bakterien: In der Natur können viele Faktoren für die Bildung von Schwärmen verantwortlich sein. Doch reichen offenbar einfache physikalische Zusammenhänge aus, damit eine kollektive Bewegung vieler Individuen in die gleiche Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit entstehen kann. In der Fachzeitschrift „Nature“ präsentieren französische Forscher ein grundlegendes Experiment, das eine verblüffende Selbstorganisation von winzigen, rotierenden Plastikkügelchen zeigt. In ihren Ergebnissen vermuten sie nun einen Schlüssel, um Schwarmbildung in der Natur, die Entwicklung von Windwirbeln oder gar das Verhalten von großen Menschengruppen besser erklären und vielleicht sogar vorhersagen zu können.

Dazu nutzten Denis Bartolo und seine Kollegen von mehreren Pariser Universitäten einen fast vergessenen Effekt, den der deutsche Physiker Georg Quicke bereits 1896 entdeckt hatte. Nichtleitende Partikel beginnen demnach in einer Flüssigkeit unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes zu rotieren. Für ihre Versuche versetzten die Wissenschaftler nun gut zwei millionstel Meter kleine Plastikkügelchen in eine solche Quincke-Rotation. Verteilt in einer flüssigen Hexadecan-Lösung beobachteten sie das Verhalten dieser rotierenden Mikrokugeln unter dem Mikroskop und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Befanden sich nur wenige Kügelchen in der Flüssigkeit, bewegten sie sich wirr und ungeordnet in verschiedene Richtungen. Doch dieses Verhalten änderte sich mit der Anzahl der Mikrokugeln. Je mehr Kugeln sich durcheinander bewegten, desto häufiger stießen sie zusammen. Nach und nach bildete sich eine kollektive Bewegung, bei der sich alle Kugeln in eine Richtung bewegten. Zum Abschluss ergab sich ein geordneter Partikelstrom, in dem alle Kugeln mit gleicher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung strebten. Zusätzlich zu den Kollisionen der Teilchen machten Bartolo und Kollegen dafür hydrodynamische Wechselwirkungen zwischen Partikel und Flüssigkeit verantwortlich.

Diese Experimente belegen, dass sich kleine Partikel ganz ohne äußeren Druck in einem selbst organisierten Schwarm bewegen können. Dieses kollektive Verhalten hängt im Wesentlichen von der Dichte an Partikeln ab. Auf der Grundlage ihrer Beobachtungen hoffen die Forscher nun, kollektive Bewegungen auch in anderen Systemen besser erklären zu können. Bei der Bildung von Mikrobenschwärmen und Windböen könnten sich durchaus Zusammenhänge ergeben. Doch ob Vogelschwärme und Menschenmengen ebenfalls diesen einfachen Prinzipien für eine Selbstorganisation folgen, müssten weitere Analysen erst belegen.