Nr. 203 / 2018

24. Oktober 2018 : Verkehrsstau auf der Nanoskala: Physiker der Universität Osnabrück und der Karls-Universität Prag publizieren wichtige Forschungsergebnisse

Was hat ein Topf mit kochendem Wasser mit einem Verkehrsstau gemein? Hier ist eine Antwort: Die hohe Verkehrsdichte im Stau korrespondiert zum flüssigen Wasser und die geringe hinter dem Stau zum gasförmigen Wasserdampf. Diese Analogie ist nicht so weit hergeholt, wie es zunächst scheint. Physiker sprechen von der Koexistenz zweier Phasen. Ein Team theoretischer Physiker der Karls-Universität in Prag und der Universität Osnabrück hat nun nachgewiesen, dass Zustände unterschiedlicher Moleküldichte und Staus (koexistierende Phasen) mit kürzlich entwickelten Techniken der Mikrofluidik und optischer Manipulation im Nanobereich nachweisbar sein könnten.

Ob ein Stau auftritt, hängt davon ab, wie stark die Zu- und Abflüsse von Fahrzeugen auf der Straße sind. Normalerweise bildet sich nur eine Phase mit hoher Verkehrsdichte (flüssige Phase) oder geringer Verkehrsdichte (gasförmige Phase). Ähnlich können Phasen mit unterschiedlicher Dichte und Staus auch beim Transport von Molekülen in engen Kanälen auftreten, die als Molekülstraßen fungieren. Bisher wurden entsprechende Phasen aufgrund stark vereinfachter Modelle theoretisch vorhergesagt.

In der Arbeit, die in der aktuellen Ausgabe der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 121, 160601 (2018)] publiziert wurde, untersuchten die Physiker die diffusive Bewegung von Teilchen in einem periodischen Potenzial in engen Nanoporen. „Solch eine Bewegung tritt vielfältig auf, beispielsweise beim Ionentransport durch Membrankanäle in der Biologie, beim Gastransport durch Poren in komplexen Kristallstrukturen oder beim molekularen Transport in Nanoröhren und Nanosieben“, erklärt der Osnabrücker Physiker Prof. Dr. Philipp Maass. Unter einem permanenten Zu- und Abfluss der Teilchen sowie einer die Teilchen von einer zur anderen Porenöffnung treibenden Kraft können sich bis zu fünf verschiedene Phasen der Teilchendichte bilden. Welche der Phasen auftritt, wird dabei wesentlich durch das Verhältnis aus Teilchendurchmesser und Wellenlänge des periodischen Potenzials bestimmt.

Bestimmte der auftretenden Phasen können nützlich sein, um den Transport von Molekülen gegenüber Störungen aus der Umgebung stabil zu halten, zum Beispiel bei einer molekularen Pumpe, die eine konstante Pumpleistung liefern soll. Mit ihren Forschungen haben die beteiligten Wissenschaftler einen wichtigen Baustein im Rahmen der physikalischen Grundlagenforschung gelegt.

Weitere Informationen für die Redaktionen:
Prof. Dr. Philipp Maass, Universität Osnabrück
Fachbereich Physik
Barbarastraße 7, 49076 Osnabrück
Tel.: +49 541 969 2351
philipp.maass@uni-osnabrueck.de