Selbst komplexe Systeme wie etwa in Bewegung versetzte körnige Materialien lassen sich mithilfe der bekannten Gesetze der Thermodynamik beschreiben. Das haben Forscher aus den USA und Frankreich mit einem einfachen Experiment gezeigt. Die Erkenntnis ist für viele Wissenschaftler überraschend, da die durch Kollisionen zwischen den Körnern verursachte Reibung zu einem Energieverlust führt und das System somit aus dem energetischen Gleichgewicht gerät. Nach den Ergebnissen des Forscherteams können wesentliche Aspekte der Dynamik dieses Nicht-Gleichgewichts mit den Methoden der Gleichgewichts-Thermodynamik erfasst werden.
In ihrem Experiment versetzten Mark Shattuck von der City University of New York und seine Kollegen aus Paris eine Anzahl von etwa einem Millimeter kleinen Kugeln aus Stahl auf einer rauen Platte in Bewegung. Durch die Vibration der Platte mit einer Frequenz von 50 Hertz bewegten sich die Kügelchen hin und her. Ihre horizontale Bewegung wurde dabei durch Kollisionen mit ihren Nachbarn eingeschränkt, und in der vertikalen setzte eine nur wenige Millimeter über der Grundplatte befindliche zweite Platte den Bewegungen eine Grenze.
Die Forscher untersuchten nun mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera die Bewegungen der Kugeln. Dabei stellte sich heraus, dass diese sich ab einer kritischen Konzentration in Form eines regelmäßigen zweidimensionalen Kristalls anordneten. Dieser Phasenübergang von einem ungeordneten zu einem geordneten System ließ sich zudem mithilfe eines Computerprogramms im Einklang mit dem Experiment simulieren.
Dies war für die Forscher überraschend, da die in der Simulation verwendeten Gleichungen aus der Thermodynamik von Gleichgewichtssystemen stammten. Das untersuchte System befand sich jedoch aufgrund der durch Kollisionen zwischen den Kugeln verursachten Reibungswärme weit entfernt von einem Gleichgewicht. Die Forscher wissen derzeit noch nicht genau, wieso die die Beschreibung des Systems stark vereinfachende Annahme eines Gleichgewichts auch hier benutzt werden kann.
Physical Review Letters (Band 96 Artikel 258001) Stefan Maier
