Wissenschaftler haben eine innovative Methode entwickelt, um die Metamorphose von Flüssigkeiten unter Unterdruck zu untersuchen, indem sie sie in optische Fasern einkapseln. Die Technologie bietet eine einfachere Möglichkeit, Druck mithilfe von Licht- und Schallwellen zu messen, und ebnet den Weg für neue Entdeckungen in der Thermodynamik und chemischen Reaktionen. Als physikalische Größe kommt Druck in verschiedenen Bereichen vor: atmosphärischer Druck in der Meteorologie, Blutdruck in der Medizin und sogar Schnellkochtöpfe und vakuumversiegelte Lebensmittel im täglichen Leben.
Künstlerische Darstellung einer mit Flüssigkeit gefüllten Glaskapillare. Durch die Einkapselung von Flüssigkeiten in optische Fasern beobachteten und maßen Wissenschaftler den Unterdruckeffekt mithilfe von Schallwellen als Sensoren. Bildquelle: ©LongHuyDao
Druck ist definiert als die Kraft pro Flächeneinheit senkrecht zur Oberfläche eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases. Abhängig von der Kraftrichtung in einem geschlossenen System können extrem hohe Drücke im Extremfall zu explosionsartigen Reaktionen führen, während extrem niedrige Drücke in einem geschlossenen System dazu führen können, dass das System selbst implodiert.
Unter Überdruck versteht man immer, dass ein Gas oder eine Flüssigkeit von innen auf die Wände eines Behälters drückt, ähnlich wie ein Ballon, der sich ausdehnt, wenn mehr Luft hinzugefügt wird. Unabhängig von Hochdruck oder Niederdruck ist der numerische Wert des Drucks unter normalen Umständen immer positiv.
Flüssigkeiten haben jedoch eine besondere Eigenschaft. Sie können in einem bestimmten variablen Zustand vorliegen, der dem Unterdruckwert entspricht. In diesem variablen Zustand können bereits kleine äußere Einflüsse dazu führen, dass das System in den einen oder anderen Zustand zusammenbricht. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf dem Dach einer Achterbahn: Eine leichte Berührung auf der einen oder anderen Seite lässt Sie von der Strecke stürzen.
In der aktuellen Studie untersuchen die Wissenschaftler die Metamorphose von Flüssigkeiten unter Unterdruck. Zu diesem Zweck kombinierte das Forschungsteam in einer in Nature Physics veröffentlichten Studie zwei einzigartige Techniken zur Messung verschiedener thermodynamischer Zustände.
Zunächst werden winzige Flüssigkeitsmengen (im Nanoliterbereich) in einer vollständig umschlossenen optischen Faser eingekapselt, sodass in ihr sowohl hohe positive als auch negative Drücke herrschen können. Anschließend können durch das spezielle Zusammenspiel von Licht- und Schallwellen in der Flüssigkeit die Auswirkungen von Druck und Temperatur in verschiedenen Zuständen der Flüssigkeit empfindlich gemessen werden. Schallwellen fungieren als Sensoren, die Unterdruckwerte erfassen und diesen einzigartigen Zustand der Materie mit hoher Präzision und detaillierter räumlicher Auflösung erforschen.
(Von links nach rechts) Forschungsteamleiterin Birgit Stiller mit Andreas Geilen und Alexandra Popp im Labor. Bildquelle: ©FlorianRitter,MPL
Auswirkungen von Unterdruck und Messtechniken
Die Wirkung des Unterdrucks auf die Flüssigkeit kann man sich wie folgt vorstellen: Nach den Gesetzen der Thermodynamik verringert sich das Volumen der Flüssigkeit, die Flüssigkeit wird jedoch durch die Adhäsionskraft in der Glasfaserkapillare beeinflusst, genau wie Wassertropfen, die an Ihren Fingern kleben. Dadurch „dehnt“ sich die Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird auseinandergezogen, wie ein Gummiband, das gedehnt wird.
Die Messung dieses exotischen Zustands erfordert häufig hochentwickelte Ausrüstung und erhöhte Sicherheitsvorkehrungen. Hoher Druck ist eine gefährliche Arbeit, insbesondere bei giftigen Flüssigkeiten. Der von den Forschern in dieser Studie verwendete Schwefelkohlenstoff ist eine solche Flüssigkeit. Aufgrund dieser Komplexität benötigten bisherige Messgeräte zur Erzeugung und Bestimmung von Unterdruck viel Laborraum und verursachten sogar Störungen im eingeschwungenen Systemzustand.
Mit der in diesem Artikel beschriebenen Methode haben Forscher ein kleines, einfaches Gerät entwickelt, das mithilfe von Licht- und Schallwellen sehr präzise Druckmessungen durchführen kann. Die dafür verwendete Glasfaser ist nur so dick wie ein menschliches Haar.
Kommentare der Forscher
„Wenn neue Messmethoden mit neuartigen Plattformen kombiniert werden, werden einige Phänomene, die mit gängigen und etablierten Methoden nur schwer erforscht werden können, überraschend zugänglich. Das finde ich sehr spannend“, sagte Dr. Birgit Stiller, Leiterin der Forschungsgruppe Quantenphotoakustik am MPL. Das Forschungsteam nutzte Schallwellen, die sehr empfindlich sein können, um Temperatur-, Druck- und Spannungsänderungen entlang der Glasfaser zu erkennen. Darüber hinaus können ortsaufgelöste Messungen durchgeführt werden, sodass die Schallwellen ein Bild der Vorgänge im Inneren der Faser mit zentimetergenauer Auflösung entlang ihrer Länge liefern können.
„Unsere Methode ermöglicht uns ein tieferes Verständnis der thermodynamischen Abhängigkeiten dieses einzigartigen Faseroptiksystems“, sagte Alexandra Popp, eine der beiden Hauptautorinnen des Artikels.
Ein weiterer Hauptautor, Andreas Geilen, fügte hinzu: „Die Messungen zeigten einige überraschende Effekte. Die Beobachtungen des Unterdruckzustands werden sehr deutlich, wenn man sich die Frequenz der Schallwellen ansieht.“
Mögliche Bewerbungen und abschließende Bemerkungen
Die Kombination photoakustischer Messungen mit dicht verschlossenen Kapillarfasern könnte zu neuen Erkenntnissen bei der Überwachung ansonsten schwer zu untersuchender Materialien und chemischen Reaktionen toxischer Flüssigkeiten in Mikroreaktoren führen. Es kann in neue und unzugängliche Bereiche der Thermodynamik vordringen.
Professor Markus Schmidt vom IPHT Jena und Dr. Mario Chemnitz, ebenfalls vom IPHT Jena, betonen: „Diese neue Plattform vollständig versiegelter Flüssigkernfasern ermöglicht den Zugang zu hohen Drücken und anderen thermodynamischen Umgebungen. Es ist sehr sinnvoll, die nichtlinearen optischen Phänomene in dieser Faser zu untersuchen oder noch weiter anzupassen.“
Diese Phänomene können bisher unerforschte potenzielle neue Eigenschaften im einzigartigen thermodynamischen Zustand des Materials freisetzen.
Birgit Stiller fasst zusammen: „Unsere Forschungsgruppen in Erlangen und Jena bündeln in einzigartiger Weise ihre jeweilige Expertise, um auf einer winzigen und einfach zu bedienenden optischen Plattform neue Erkenntnisse über thermodynamische Prozesse und Zustände zu gewinnen.“