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Computersimulation gibt Aufschlüsse Wie formen sich Kondensationstropfen?

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Es ist nicht nur die Flüssigkeitskondensation in Wolken, bei der es zur Tropfenbildung kommt. Auch bei vielen chemischen Reaktionen z.B. von Proteinen oder Polymeren laufen Kondensationen ab. Liepziger Forscher habe diese Prozesse nun mithilfe von Parallelrechnern präzise vermessen und charakterisiert.

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Kondensation von Polymeren: Die Abbildung zeigt einen Kondensationstropfen in einer verdünnten Lösung.
Kondensation von Polymeren: Die Abbildung zeigt einen Kondensationstropfen in einer verdünnten Lösung.
(Bild: Prof. Dr. Wolfhard Janke/Universität Leipzig)

Leipzig – Kondensation ist einer der fundamentalsten Phasenübergänge, die wir aus der Natur kennen und die unseren Alltag ständig begleitet. Sie ist deshalb einer der am besten untersuchten Prozesse, die neben Tropfenbildung in Wolken auch die Ausbildung von magnetisierten Bereichen in magnetischen Materialien und vielen weiteren Anwendungen beschreibt. Interessiert ist man unter anderem an Vorhersagen, mit welcher Geschwindigkeit sich Tropfen formen. Dies hängt in erster Linie von der Barriere in der Energie ab, die ein Tropfen überwinden muss. Hier spielen sowohl die innere Energie des Tropfens als auch die Oberflächenspannung und die verminderte Beweglichkeit der gebundenen Bestandteile eine Rolle. In der Natur kommen noch Verunreinigungen hinzu, die auch einen Einfluss auf die Größe der Barriere haben.

Umgebung ist wichtig für die Kondensation

Trotz jahrzehntelanger Forschung, in denen Experimente ständig genauer, numerische Simulationen und weitere Effekte in den theoretischen Modellen immer mehr verfeinert wurden, liegen zwischen den experimentell und numerisch gemessenen Barrieren häufig mehrere Größenordnungen. Daher ist es wichtig, das Verständnis von Tropfenbildung grundlegend zu stärken.

Forscher der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wolfhard Janke vom Institut für Theoretische Physik der Universität Leipzig analysierten den Prozess der Tropfenbildung mit numerischen Methoden: Wenn sich in Wasserdampf ein Tropfen bildet, dann entsteht zunächst aus lokalen statistischen Schwankungen ein Kern, der dann eine Barriere überwinden muss, um stabil zu werden. Die Physiker der Universität Leipzig haben nun diese Barriere in Computersimulationen mit einer neuartigen Methode präzise gemessen, ohne die genaue Form des Tropfens kennen zu müssen. Dadurch lassen sich präzisere Aussagen auch für komplexere Kondensationsmechanismen treffen.

Hierzu haben sich die Leipziger Wissenschaftler der fundamentalen Frage gewidmet, wie die Barriere von der Größe des Tropfens abhängt. Als Beispiel betrachteten die Forscher die Kondensation von Kettenmolekülen, wie zum Beispiel Polymeren oder Proteinen. Dies ist auch ein zentrales Thema des Sonderforschungsbereichs/Transregio (SFB/TRR) 102. „Im Gegensatz zu dem weitverbreiteten Ansatz, die Umgebung dabei zu vernachlässigen, ist es zielführender, die Menge der zur Verfügung stehenden Gasteilchen zu beschränken und das System in einem Wärmebad zu betrachten“, erklärt Dr. Johannes Zierenberg, Physiker der Universität Leipzig und Erstautor der Publikation. In diesem Fall kann es nur einen einzigen Tropfen geben, und die Barriere hängt direkt von der Größe des betrachteten Systems ab.

Lokale Gleichgewichte und der Einfluss von Verunreinigungen

Diese Abhängigkeit konnten die Forscher mit moderner Computersimulationen auf leistungsfähigen Parallelrechnern mit hunderten von Prozessoren präzise vermessen und charakterisieren. „Dies eröffnet ein neues Verständnis von allgemeinen Kondensationsprozessen, in denen lokale Gleichgewichte für die Verteilung von Tropfengrößen auf der Zeitskala der Beobachtung verantwortlich sind. In Kombination mit dem Einfluss von Verunreinigung ist dies ein vielversprechender Ansatz, um die Entstehung von Kondensationstropfen besser vorhersagen zu können“, sagt Janke.

Originalpublikation: Johannes Zierenberg, Philipp Schierz & Wolfhard Janke, „Canonical free-energy barrier of particle and polymer cluster formation“, Nature Communications 8, Article number: 14546 (2017); doi: 10.1038/ncomms14546 (2017)

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