Wissenschaftler haben gezeigt, wie die Prinzipien von sogenannten Rogue-Waves – 30 Meter hohen Monsterwellen, die unerwartet im Ozean entstehen – auf den Nanobereich angewandt werden können. Das könnte Dutzende Anwendungsmöglichkeiten von der Medizin bis zur Produktion haben.
Monsterwellen wurden lange Zeit als Mythos betrachtet und entstehen in vergleichsweise ruhigen Umgebungen, wobei sie Bohrinseln und Schiffe in ihrem Weg beschädigen. Im Gegensatz zu Tsunamis bilden sich Rogue-Waves durch die zufällige Kombination kleinerer Wellen im Ozean, daher sind solche Ereignisse sehr selten.
In den letzten Jahren gab es viel Forschung zu Monsterwellen, aber jetzt zeigen Wissenschaftler erstmals, wie dies auf einen viel kleineren Bereich angewandt werden kann: den Nano-Bereich. Dies ist ein komplett neuer Ansatz für das Verhalten von Flüssigkeiten im Nanometer-Maßstab und wurde im Journal Physical Review Fluids veröffentlicht.
Die Täler und Berge von Monsterwellen können manipuliert werden, um spontan Muster und Strukturen bei der Produktion im Nanometer-Bereich (ein Milliardstel Meter) zu erzeugen. Beispielsweise könnte die Technik zur Konstruktion von mikroelektronischen Schaltkreisen verwendet werden, die wiederum bei der Produktion günstiger Komponenten für Solarzellen genutzt werden könnten. Außerdem könnte das Verhalten dünner Flüssigschichten helfen zu erklären, warum Millionen Menschen weltweit an trockenen Augen leiden. Das passiert, wenn der Tränenfilm, der das Auge bedeckt, unterbrochen wird.
Durch direkte Simulationen von Molekülen und neue mathematische Modelle beschreibt die Studie unter Leitung des Mathematics Institute der University of Warwick, wie nanoskopische Flüssigkeitsschichten sich wider die Erfahrungen aus dem Alltag verhalten. Während eine verschüttete Schicht Kaffee auf einem Tisch anscheinend bewegungslos verbleibt, erzeugt die chaotische Bewegung der Moleküle zufällige Wellen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit. Ein seltenes Ereignis tritt auf, wenn sich diese Wellen überlagern, um eine große „Nano-Monsterwelle“ zu bilden, die die Schicht durchbricht und ein Tal erschafft. Die neue Theorie erklärt, wie und wann dieses Tal entsteht, und gibt neue Einblicke in einen bislang unvorhersehbaren Effekt, indem ihre großen ozeanischen Cousins als mathematisches Vorbild genommen werden.
Das Forschungsteam ist gespannt auf das Potenzial dieser Studie in verschiedenen Industriezweigen – die Anwendungsmöglichkeiten sind weitreichend.
Professor James Sprittles vom Mathematics Institute sagte: „Wir sind erfreut zu entdecken, dass mathematische Modelle, die ursprünglich für die Quantenphysik entwickelt wurden und kürzlich zur Vorhersage von Freak-Waves genutzt wurden, entscheidend sind für die Vorhersage der Stabilität von nanoskopischen Flüssigkeitsschichten.“
„Wir hoffen, dass die Theorie in Zukunft für zahlreiche Nanotechnologien verwendet werden kann, bei denen es entscheidend ist, wann und wie Schichten aufbrechen. Es könnte auch Anwendungen in damit zusammenhängenden Bereichen geben, wie etwa dem Verhalten von Emulsionen in Farben oder Nahrung, wo die Stabilität dünner Flüssigkeitsfilme ihre Haltbarkeit diktiert“, sagte er.
(THK)
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