OASIS - Smektische Filme unter Mikrogravitation

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Stannarius
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315455340

Im Rahmen des OASIS-Experimentes (Observation and Analysis of Smectic Islands in Space) [1] wurden auf der Internationalen Raumstation ISS in Kooperation mit internationalen Partnern smektische Filme unter Mikrogravitation untersucht. Die ISS-Experimente fanden von Juli 2015 bis März 2016 statt. Sie haben in großem Umfang und hoher Qualität einzigartige Daten geliefert, die seit 2017 den Kooperationspartnern zur Verfügung stehen und arbeitsteilig ausgewertet werden.Diese Experimente umfassten die Beobachtung von Inklusionen in quasi-zweidimensionalen (2D) Flüssigkeiten, die Charakterisierung ihrer Wechselwirkungen, die Untersuchung der spontanen Ausbildung geordneter Strukturen sowie thermokapillare Experimente. Smektische Filme in sphärischer Geometrie (Blasen) wurden in Schwerelosigkeit automatisch erzeugt und Einschlüsse in Form von Inseln(Lagen zusätzlicher Molekülschichten) und Tropfen (linsenförmige flüssige Einschlüsse) aufgebracht.Mikrogravitation (µg) ist unverzichtbar, um die Sedimentation der Objekte auf der Kugelfläche im Schwerefeld auszuschließen. Auf der lokalen Skale der beobachtetenObjekte spielt die Krümmung keine Rolle. Die hydrodynamischen Prozesse in der Filmebene wurden in Langzeitexperimenten mit optischen Kameras beobachtet. Zu den interessanten Phänomenen, die weitere Untersuchungen erfordern, gehören die Wechselwirkungen von Inklusionen einschließlich ihrer Verschmelzung, sowie die Langzeitstabilität der von ihnen gebildeten kollektiven Strukturen.Die bisher sehr erfolgreiche Auswertung der Daten des ISS-Fluges soll fortgesetzt werden und durch Experimente unter Normalgravitation ergänzt werden. Vorrangige Ziele sind die Untersuchung der Selbstorganisation von Tropfen in dünnen Filmen, der Dynamik der Verschmelzung von Tropfen in der isotropen und der nematischen Phase, sowie die Analyse und Modellierung der Alterung zweidimensionalerEmulsionen (Ostwald-Reifung).Weitere µg-Experimente mit einem kürzeren Zeitfenster wurden auf Parabelflügen realisiert. Dabei untersuchen wir frei schwebende geschlossene smektische Filme. Die Formdynamik solcher Objekte stellt einen Grenzfall zwischen dem Verhalten von Vesikeln und von Seifenblasen dar. Auf kurzen Zeitskalen haben die Filme wie Vesikel eine verschwindende effektive Oberflächenspannung. Sie bilden einzigartige Faltenstrukturen aus, die sonst nur in sehr viskosen oder festen Filmen beobachtbar sind. Ziel derhier geplanten untersuchungen sind die Charakterisierung solcher Faltenbildung, und ihre Modellierung zur Ableitung fundamentaler Erkenntnisse zur Formdynamik dünner flüssiger Filme und als Zugang zu bisher kaum betrachteten Materialparametern smektischer Phasen wie der Biegesteifigkeit smektischer Schichten. Ein weiterer Parabelflug ist vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen