Granulare Materie

Sand besteht aus vielen Einzelkörnern.

Granulare Materie, auch ein Granulares Medium oder Granulat genannt, besteht aus vielen kleinen, festen Partikeln wie Körnern oder Kugeln. Beispiele für diesen Zustand sind körnige Materialien wie Sand, pulverförmige Materialien wie Puder, oder in großen Mengen auch loses Material wie beispielsweise Geröll. Man verwendet auch die Begriffe Haufwerk für mechanische und Schüttgut für logistische Aspekte.

Grundlagen

Wichtige Abgrenzungsmerkmale sind, dass die Teilchen makroskopische Größe haben (diese werden materialkundlich Korn genannt), also weder durch Quanteneffekte noch thermische Bewegung gestört werden, und nur über Kontaktkräfte (Reibungskraft) wechselwirken. Es handelt sich nicht um einen Aggregatzustand der Materie an sich, sondern um die kollektiven Eigenschaften einer Ansammlung von Festkörpern. Auffälligste Eigenschaft granularer Materie ist, dass sie sich manchmal wie ein Festkörper verhält - beispielsweise können Steine auf Sand liegen, ohne einzusinken - und manchmal wie eine Flüssigkeit - so passt sich Sand der Form eines Gefäßes an und „fließt“ bei Kippen aus ihm heraus.

Physik der granularen Materie

Die Physik der granularen Materie beruht auf einfachen mechanischen und, bei genügend kleinen Partikeln, elektrostatischen Interaktionen. Durch die große Zahl der Reaktionspartner entsteht jedoch ein Vielkörperproblem mit hoher Komplexität, das zu vielfältigen Effekten führt. Ein Beispiel ist der Paranuss-Effekt, bei dem in einem Gemisch verschieden großer Partikel die größeren an die Oberfläche driften. Die Eigenschaften granularer Materie ändern sich stark, wenn ihr geringe Mengen an Flüssigkeit zugefügt werden, da diese die Reibung der Teilchen senken und durch Kohäsion zu gegenseitiger Anziehung führen kann. So erklärt sich etwa die Standfestigkeit von Sandburgen.

Granulare Materie ist erst seit wenigen Jahren ein aktives Forschungsgebiet, sodass viele Phänomene zwar aus dem Alltag oder physikalischen Experimenten bekannt, aber theoretisch noch nicht sauber erklärt sind.

Alternativ lässt sich das mechanische Verhalten von granularer Materie auch mit der Theorie Poröser Medien beschreiben, hierbei werden die Partikel nicht einzeln berücksichtigt, sondern gehen gemittelt über ihren Volumenanteil in die Beschreibung ein.

Anwendungsgebiete

Burg aus getropftem Sand

Erkenntnisse auf diesem Gebiet können jedoch von großer Bedeutung für Fertigungsprozesse und Lagerhaltung in der Industrie sein.

Weitere wichtige Anwendung ist die Physik der geophysikalischen Massenbewegungen, wie Murgänge und Lawinen, auch Felsstürze und Geschiebe in Sturzwässern können als – riesige –Teilchen modelliert werden. Diese Modelle bilden die Grundlagen für Gefahrenzonenauszeichnung und Katastrophenschutz.

Auch im Transportwesen ist der Begriff lose Schüttung und die zugrundeliegenden machanisch-physikalischen Vorgänge von Bedeutung, etwa für die Transportsicherung und die Stabilität von Frachtschiffen und von Flugzeugen. Auch die Explosivwirkung, Staubexplosion granularer Materie – aufgrund hoher Oberfläche, Oxidationswirkung und Reibungselektrizität – wurde erst nach schweren Unfällen als Risikofaktor erkannt.

Weblinks

• Granulare Materie - Handreichung für die Unterrichtsentwicklung (PDF-Datei; 3,62 MB) - Allgemeine Einführung in das Thema