Hintergrund 

Das Geheimnis der Strukturentstehung

Was Blitze mit abreißenden Wassertropfen und Atomen auf Oberflächen gemeinsam haben

Von Rainer Scharf

Auf den ersten Blick haben Tropfen, die von einem Wasserhahn fallen, mit bizarr verzweigten elektrischen Funken und winzigen Kristallen, die wie Hochzeitstorten aussehen, nur wenig gemeinsam. Doch sind sie besonders gut erforschte Beispiele für die unerschöpfliche Fülle von Strukturen der unbelebten Natur, die sich gewissermaßen von selbst bilden. Ihrem Entstehungsprozeß liegen oft überraschend einfache physikalische Gesetzmäßigkeiten zugrunde. Seit 1987 widmet sich ein Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft, an dem die Universitäten Bochum, Düsseldorf und Essen beteiligt sind, der Frage, wie aus Chaos und Unordnung komplexe Strukturen entstehen können. Auf einer Abschlußtagung im elsässischen Colmar wurde unlängst eine Bilanz der jahrelangen Forschungen gezogen.

Seit jeher haben Gewitter mit Blitz und Donner die Menschen in Furcht versetzt, aber auch fasziniert. Und obwohl man um den elektrischen Charakter dieses Naturschauspiels weiß, hat man ihm noch nicht alle Geheimnisse entlockt. So haben neuere Beobachtungen gezeigt, daß es auch oberhalb von Gewitterwolken zu elektrischen Entladungen kommt, die die normalen Blitze an Größe bei weitem übertreffen können. Eine dieser Entladungsformen breitet sich von der Gewitterwolke in die Ionosphäre aus und erreicht dabei Längen von mehr als 50 Kilometern. Dabei verzweigt sich die zunächst zungenförmige Entladung vielfach und ähnelt schließlich einem Flußdelta. Auch bei Entladungsversuchen im Labor sind solche Strukturen immer wieder beobachtet worden. Deren Ursache glaubte man bislang zu kennen. Danach würden sich die Entladungen aufspalten, wenn sie auf ihrem Weg durch die Atmosphäre zufällig auf Störungen träfen. Ute Ebert vom Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam und ihre Mitarbeiter haben nun eine ganz andere Erklärung gefunden ("Physical Review E", Bd. 66, Nr. 035102).

Nach Ansicht der niederländischen Forscher kann oft schon ein einzelnes frei bewegliches Elektron in einem Gas, das einem starken elektrischen Feld ausgesetzt ist, eine Entladung auslösen. Das Elektron wird vom elektrischen Feld beschleunigt und stößt mit vielen Atomen zusammen. Dabei werden weitere Elektronen freigesetzt, und es bildet sich eine Ladungslawine. Die geladenen Teilchen setzen sich an die Front der zunächst zungenförmigen Entladung, die sich mit großer Geschwindigkeit durch das Gas bewegt. Nach einiger Zeit wird die Entladungsfront instabil. Es bilden sich mehrere Finger.

Eine fingerähnliche Struktur tritt auch auf, wenn man eine schwere Flüssigkeit über eine leichtere schichtet und die beiden Flüssigkeiten aneinander vorbeifließen läßt. Flüssigkeiten können aber auch noch andere überraschende Strukturen bilden, wie sich am Beispiel eines tropfenden Wasserhahns zeigt. Will man genau verfolgen, wie sich ein Tropfen vom Hahn löst, muß man eine Hochgeschwindigkeitskamera benutzen. Der Tropfen ist vor dem Herabfallen zunächst noch durch einen dünnen Hals mit dem Wasser im Hahn verbunden. Dieser wird immer länger und dünner. Aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers schnürt sich der Hals ein, bildet eine Spitze und reißt schließlich vom Tropfen ab. Während der Tropfen herabfällt, schnellt der Hals wie ein Gummiband zurück und beginnt, sich unterhalb des Wasserhahns einzuschnüren. Schließlich reißt er auch ab und fällt herab. Dabei kann der Hals sich erneut einschnüren und in kleinere Tröpfchen zerfallen.

Daß das Einschnüren und Abreißen des Flüssigkeitshalses von Tropfen bei allen Flüssigkeiten ähnlich abläuft und der Vorgang einem universellen Gesetz folgt, hat Jens Eggers von der Universität Essen herausgefunden. Überraschenderweise gilt das von Eggers gefundene universelle Verhalten auch noch, unmittelbar nachdem sich der Tropfen losgerissen hat und der Flüssigkeitshals zurückgeschnellt ist. Wenn allerdings die Öffnung, aus der die Flüssigkeit heraustritt, nur wenige millionstel Millimeter groß ist, entstehen die Tropfen auf andere Weise ("Physical Review Letters", Bd. 89, Nr. 084502). Wie Berechnungen von Eggers zeigen, bildet sich zwar auch in diesem Fall eine Brücke zwischen dem Tropfen und dem Flüssigkeitsreservoir. Diese Brücke schnürt sich dann aber in ihrer Mitte ein und reißt ab. Der freiwerdende Tropfen nimmt also einen Teil der Flüssigkeitsbrücke mit. Bei diesen Nanotropfen spielt die Oberflächenspannung eine wesentlich geringere Rolle, und die Wärmebewegung der Moleküle dominiert das Geschehen. Das muß man berücksichtigen, wenn man etwa mit Hilfe von feinsten Flüssigkeitsstrahlen Mikrostrukturen auf Oberflächen "schreiben" will.

Oft wachsen verblüffend regelmäßige Mikrostrukturen auch von selbst heran. Bedampft man zum Beispiel eine völlig glatte Platinoberfläche mit Platinatomen, so bleiben die Teilchen nicht an einer Stelle der Oberfläche haften. Aufgrund ihrer Wärmebewegung wandern sie auf der Oberfläche umher. Trotz einer kontinuierlichen Bedampfung bedecken die Atome die Oberfläche nicht gleichmäßig, sondern bilden zunächst dreieckige Inseln. Neu hinzukommende Atome lagern sich auf diesen Inseln in Terrassen ab. Es entstehen winzige Türmchen, die unter dem Elektronenmikroskop wie Hochzeitstorten aussehen. Joachim Krug von der Universität Essen hat untersucht, wie es zu diesen Strukturen kommt.

Noch bevor die Platinoberfläche vollständig mit einer Atomschicht bedeckt ist, entsteht an einigen Stellen eine zweite Schicht. Da die sich bildenden Plateaus hervorragen, setzen sich neu dazukommende Atome eher auf ihnen fest als auf den noch unbedeckten Teilen der Unterlage. Die Atome können zwar auf den Plateaus umherwandern, aber von ihnen herabzuspringen gelingt ihnen nicht. Da die Platinatome einander anziehen, möchte ein jedes möglichst viele Nachbarn haben. Nähert sich ein Atom aber dem Rand eines Plateaus, so findet es hier weniger Nachbarn als in dessen Mitte. Es meidet daher den Rand. Auf diese Weise wächst das Plateau in Terrassen nach oben und es entstehen die auffälligen Hochzeitstorten. Joachim Krug hat deren Höhenprofil berechnet und eine hervorragende Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen gefunden ("Physica A", Bd. 313, S. 47). Diese erfolgreichen Vorhersagen können dazu beitragen, selbstbildende mikroskopisch kleine Kristallstrukturen gezielt für die Nanotechnik zu entwickeln. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 24.12.2002, Nr. 299 / Seite N2

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