Tropfen aus trockenem Sand

Wie Flüssigkeiten haben auch Granulate eine Oberflächenspannung.

Von Rainer Scharf

Schon beim Spielen im Sandkasten lernt man, dass trockener Sand nicht klumpt. Erst wenn man ihn ein wenig anfeuchtet, haften die Sandkörner aneinander. Die Körner werden dann von der Oberflächenspannung des Wassers zusammengehalten, die auch Wassertropfen formt und Wasserläufer vor dem Untergehen bewahrt. Doch jetzt stellen Forscher von der University of Chicago das bewährte Sandkastenwissen in Frage. John Royer und seine Kollegen haben beobachtet, dass feiner trockener Sand, wenn er herabrieselt, Klumpen bilden kann. Dahinter steckt ebenfalls eine Oberflächenspannung, die allerdings wesentlich kleiner ist als die des Wassers.

Wie die Forscher um Royer berichten, verhalten sich ein Wasserstrahl und ein Strahl aus herabrieselndem Sand recht ähnlich ("Nature", Bd. 459, S. 1110). Ein Wasserstrahl entwickelt nach kurzer Fallstrecke zahlreiche Einschnürungen und zerfällt schließlich in einzelne Tropfen. Hinter dieser leicht zu beobachtenden Rayleigh-Plateau-Instabilität steckt die vergleichsweise große Oberflächenspannung des Wassers, die von den starken elektrischen Anziehungskräften zwischen den Wassermolekülen hervorgerufen wird. Die Wissenschaftler haben nun ähnliche Einschnürungen und "Tropfen" bei winzigen Glaskügelchen beobachtet.

In ihrem Experiment, das unter Vakuumbedingungen stattfand, ließen Royer und seine Kollegen ein trockenes Granulat aus 0,1 Millimeter großen Glaskügelchen gleichmäßig in einen 2,5 Meter hohen Zylinder rieseln. Eine Hochgeschwindigkeitskamera nahm pro Sekunde etwa tausend Bilder von einem drei Zentimeter langen Abschnitt des Strahls auf. Um verfolgen zu können, wie sich in dem herabfallenden Segment die Kügelchen, die wie Sand aus Quarz bestehen, zusammenklumpten, musste die Kamera während der Aufnahmen stets mit den entsprechenden Glasteilchen auf der gleichen Höhe bleiben. Dazu glitt sie an einer Schiene herab. Ein Kissen sorgte dafür, dass die 80 000 Dollar teure Kamera weich landete.

Auf den Videoaufnahmen war deutlich zu sehen, wie nach einer Fallstrecke von 55 Zentimetern in dem zunächst gleichförmigen Granulatstrom die ersten Einschnürungen und nach etwa einem Meter millimetergroße Klumpen auftraten. Dank der Bilder ließen sich die Flugbahnen einzelner Kügelchen verfolgen. Auf diese Weise konnten die Forscher abschätzen, wie groß die Kraft war, mit der sich die Kugeln gegenseitig anzogen, wenn sie einander sehr nahe kamen. Die ermittelte Kraft lag im Bereich von milliardstel Newton (Nanonewton), was etwa der Schwerkraft entsprach, die auf jede der Kugeln wirkte. Eine direkte Kraftmessung an zwei isolierten Glaskügelchen mit einem Rasterkraftmikroskop zeigte, dass man etwa zwanzig Nanonewton dazu aufwenden musste, zwei sich berührende Kügelchen voneinander zu trennen. Diese Anziehungskraft reichte offenkundig dazu aus, dass die herabrieselnden Kugeln miteinander verklumpten.

Wie lässt sich diese Anziehungskraft erklären? Eine elektrostatische Anziehung der Kugeln scheidet als Ursache aus, da nur wenige Kugeln schwach geladen waren. Der Antwort kamen die Forscher auf die Spur, als sie ihr Experiment mit Glaskugeln wiederholten, die mit nanometergroßen Quarzpartikeln beschichtet waren, was die Verklumpung verhindern sollte.

Tatsächlich traten jetzt die Einschnürungen und Klumpen verzögert oder gar nicht auf. Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop haben ergeben, dass sich die beschichteten Kugeln erheblich schwächer anzogen als die unbeschichteten. Die Quarzpartikeln hielten die Kugeln gewissermaßen auf Distanz, so dass deren Anziehungskräfte nicht zur Wirkung kommen konnten. Die Forscher vermuten, dass es sich bei der Wechselwirkung um molekulare Kräfte handelt, die nur eine äußerst geringe Reichweite haben.

Damit die unbeschichteten Kugeln aneinander haftenblieben und Klumpen bildeten, durfte die Geschwindigkeit, mit der sie kollidierten, nicht allzu groß sein. Dabei blieb die Oberfläche der "Tropfen" klein. Das Granulat wies eine Oberflächenspannung auf, die allerdings nur 0,1 Mikronewton pro Meter betrug. Zum Vergleich: die Oberflächenspannung des Wassers ist etwa 700 000 Mal so groß. Beim Spielen im Sandkasten kann man die Oberflächenspannung des Sandes also getrost außer Acht lassen. Aber Auswirkungen hat sie durchaus. Man muss nur genau genug hinschauen.

Text: F.A.Z., 01.07.2009, Nr. 149 / Seite N2