Untersuchung der Dilatanz weicher granularer Materie mittels fortschrittlicher Radiographietechniken

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Heitkam
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551239760

Dilatanz ist ein bekannter Effekt in harten granularen Materialien wie Sand oder Erde. Wenn sie einer Scherung ausgesetzt werden, vergrößert sich der Abstand zwischen den Partikeln und Flüssigkeit wird eingesogen. Dies hat beispielsweise im Bauwesen erhebliche Auswirkungen. Für weiche granulare Materialien, wie Schäume oder Emulsionen, wurde die Dilatanz analytisch vorhergesagt. Trotz erheblicher Anstrengungen gibt es jedoch bisher keinen direkten experimentellen Nachweis der Dilatanz. In diesem Projekt wollen wir die Auswirkung der Scherung auf den Flüssigkeitsgehalt in weichen granularen Materialien messen. Dies wird die vorhergesagte Dilatanz in Schaum und Emulsionen beweisen oder widerlegen. Cluster von Tröpfchen oder Blasen mit genau definierten Durchmessern werden in millifluidischen Chips erzeugt. Monodisperse Cluster weisen kristalline Packungen auf, während bereits geringe Polydispersität zu zufälligen Packungen führt. 3D-gedruckte Templates unterstützen die Bildung kristalliner Cluster. Dichteangepasste Öl-in-Wasser-Emulsionen ergeben stationäre Packungen mit relativ hohem Wassergehalt. Luft-in-Wasser-Schäume werden durch den Auftrieb entwässert, was zu instabilen und inhomogenen Verteilungen des Flüssigkeitsanteils führt. Mittels beweglicher Wände werden die Cluster definierten Scherwinkeln ausgesetzt. Mit radiographischen Methoden lassen sich die Phasenanteile in den Clustern ermitteln. Bei Schäumen reicht die Röntgen- oder Synchrotron-Radiographie aus, um einen hohen Kontrast zwischen Gas- und Flüssigphase zu erzielen, so dass Flüssigkeitsanteile und Clusterstrukturen gemessen werden können. Darüber hinaus ermöglicht die optische Beobachtung die Messung der Spannungsverteilung in Wandnähe. Für Emulsionen ist die Neutronenradiographie erforderlich, die den Kontrast in den Schwächungskoeffizienten zwischen schwerem Wasser und Öl nutzt. Damit lassen sich der Wasseranteil und die Kristallstruktur des Clusters bestimmen. Die Analyse der Veränderung des Flüssigkeitsanteils zwischen geschertem und ungeschertem Zustand ermöglicht es zu beurteilen, ob eine Dilatanz in weichem granularem Material existiert. Gleichzeitig liefert die Radiographie den lokalen Scherwinkel für kristalline Anordnungen, und optische Messungen ermöglichen die Abschätzung des Scherwinkels bei zufälliger Anordnung. Durch die Kombination beider Informationen erhält man eine quantitative Beschreibung der Dilatanz in weicher Materie. Der Vergleich von dichteangepassten Emulsionen mit entwässerndem Schaum wird es ermöglichen, einen großen Bereich von Flüssigkeitsanteilen abzudecken und Entwässerungseffekte auf die Dilatanz auszuschließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz, Südkorea
• Kooperationspartner: Dr. Joonwoo Jeong; Professor Dr. Pavel Trtik