Wenn Flüssigkeiten zu Gläsern werden
Weiche-Materie-Forschung: Veröffentlichung im Nature Physics
Drängen sich viele mikroskopisch kleine Partikel immer dichter in einer Flüssigkeit, können sie sich immer weniger bewegen. Das Gemisch wird zunehmend fest, besitzt aber keine regelmäßige Ordnung – dies wird als Glasübergang bezeichnet. Physikerinnen und Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Tel Aviv-University (TAU) zeigten nun, dass nicht nur die Partikelbewegung selbst, sondern auch die Flüssigkeit zwischen ihnen messbare Spuren dieses Übergangs trägt. In der Fachzeitschrift Nature Physics erläutern sie, wie diese bisher verborgene Dynamik sicherbar gemacht werden kann.
Kolloide sind Suspensionen – also Gemische – mikroskopisch kleiner Partikel in einer Flüssigkeit. In der Physik dienen sie häufig als Modellsysteme, um ungeordnete Materie zu untersuchen, wie diese in einen glasartigen Zustand übergeht. Wird die Partikelkonzentration immer weiter erhöht, können sich diese immer weniger frei bewegen. Sie verlangsamen stark, bis eine feste, ungeordnete Struktur entsteht – ähnlich einem Glas. Die fehlende Ordnung unterscheidet Glas von geordneten kristallinen Festkörpern.
Bisher war der Blick der Forschenden vor allem auf die glasbildenden Partikel gerichtet: Wie schnell bewegen sie sich noch, ab wann ist ihre Bewegung stark eingeschränkt? Die neue Studie aus Düsseldorf und Tel Aviv nimmt eine andere Perspektive ein: Sie untersucht, wie sich die Flüssigkeit zwischen den Partikeln bewegt.
Prof. Dr. Manuel A. Escobedo-Sánchez, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Weiche Materie am Institut für Physik der kondensierten Materie der HHU, ist Korrespondenzautor der in Nature Physics erschienenen Studie: „Wir zeigen, dass die Dynamik der Flüssigkeit messbare Informationen über den entstehenden Glaszustand enthält.“
Um diese verborgene Dynamik zu untersuchen, nutzten die Forschenden sehr kleine Partikel, die sie im Mikroskop gezielt verfolgen konnten. Diese sogenannten Tracerpartikel sind deutlich kleiner als die glasbildenden Partikel und bewegen sich in der Flüssigkeit zwischen den großen Brüdern. Indem die Forschenden diese Bewegung mit sogenannten Konfokalmikroskopen verfolgten, erkannten sie, wie sich die Flüssigkeit zwischen den Partikeln verändert, während das System zunehmend glasartig wird.
Patrick Laermann, Doktorand in Escobedos Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie: „Unsere Arbeit eröffnet einen neuen Blickwinkel: Die kleinen Tracerpartikel zeigen uns, wie sich die Flüssigkeit zwischen den größeren Partikeln bewegt. So können wir besser verstehen, wie aus einem flüssigen Gemisch nach und nach ein glasartiger Zustand entsteht.“
Die Studie verbindet experimentelle Weiche-Materie-Physik, konfokale Mikroskopie und theoretische Hydrodynamik. An der HHU wurden die experimentellen Arbeiten von Patrick Laermann und Prof. Manuel Escobedo-Sánchez im Rahmen der kolloid- und weichmateriephysikalischen Forschung durchgeführt, zu der auch die Arbeitsgruppe Experimentelle Kolloidphysik von Prof. Dr. Ivo Buttinoni beitrug. Den theoretischen hydrodynamischen Rahmen entwickelten die Forschenden der Tel Aviv University. Die Studie knüpft zudem an eine langjährige und international anerkannte Forschungslinie zur Kolloid- und Weiche-Materie-Physik an, die von Prof. Dr. Stefan U. Egelhaaf geprägt wurde, der im Jahr 2023 verstarb.
Prof. Escobedo-Sánchez: „Unser Ansatz kann dabei helfen, die Bewegung von Teilchen in anderen dichten und ungeordneten Umgebungen besser zu verstehen, etwa im Inneren von Zellen oder in biologischen Geweben, wo viele Komponenten gemeinsam in Bewegung sind.“
Bildunterschrift:
Links: Konfokalmikroskopische Aufnahme einer dichten Suspension aus großen fluoreszierenden Partikeln (grün) und deutlich kleineren Tracerpartikeln (rot). Steigt die Konzentration der großen Partikel, so können sie sich immer weniger frei bewegen. Das Gemisch nähert sich damit einem glasartigen Zustand – es verhält sich fest, bleibt aber ungeordnet. Die künstlerische Darstellung rechts zeigt, wie sich die Flüssigkeit zwischen den dicht gepackten Partikeln bewegt. Die blauen Linien veranschaulichen schematisch diese verborgene Dynamik und machen sichtbar, dass die Flüssigkeit messbare Hinweise auf den entstehenden glasartigen Zustand enthält. (Bild: HHU / Manuel Escobedo-Sánchez)
Originalpublikation:
Patrick Laermann, Haim Diamant, Yael Roichman, Ivo Buttinoni, Manuel A. Escobedo-Sánchez & Stefan U. Egelhaaf; Emergent signatures of the glass transition in colloidal suspensions; Nat. Phys. 22, 265–274 (2026)
DOI: 10.1038/s41567-025-03140-z
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