Das Bauen von Sandburgen am Urlaubsstrand ist ein Kinderspiel, weil der nasse Sand unabhängig von seinem Wasseranteil immer die gleiche innere Stabilität aufweist. Egal ob das Wasser im Sand nur ein Prozent oder bis zu zwanzig Prozent ausmacht: Der Wasserfilm verteilt die Kräfte im Sandhaufen immer gleich, so dass Sandburgen ihre Form halten. Das haben Forscher um Ralf Seemann vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen herausgefunden. Sie hatten erstmals einen nassen Sandhaufen mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und dessen physikalischen Gesetzmäßigkeiten untersucht. Das Verhalten von nassen Granulaten in Industrieprozessen oder von nassem Boden bei Erdrutschen könnte mit Hilfe der Ergebnisse besser verstanden werden, erklären die Forscher.
Die Wissenschaftler durchleuchteten zunächst als Modellsystem unterschiedlich stark durchnässte Glaskugelhaufen. Die Kugeldurchmesser lagen bei etwas unter einem Millimeter. Das Verfahren ähnelt dem eines Computertomographen: Mit Hilfe von Röntgenlicht rekonstruierten die Forscher die dreidimensionale Struktur des Kugelhaufens inklusive der Wasserverteilung. Da es hierbei um Genauigkeiten von Bruchteilen eines Millimeters ging, unternahmen die Materialforscher die Versuche an der hochgenauen Röntgenstrahlquelle am ESRF-Institut in Genoble.
Das zugegebene Wasser benetzt die Kugeln. Bis zu einem Volumenanteil von zwei Prozent Wasser entstehen einzelne Verbindungsbrücken zwischen den Kugeln. “Mit mehr Wasser gibt es dann größere Gebilde”, sagt der Materialforscher Ralf Seemann gegenüber wissenschaft.de. Es tauchen geometrisch verkrauselte Wasserfilmformen auf, die drei und mehr Kugeln benetzen und verbinden. Je größer der Wasseranteil, umso größer werden diese Wasserstrukturen ? die Forscher sprechen hier von Clustern. Bei einem Wasseranteil von elf Volumenprozent im Haufen steckten 90 Prozent des Wassers in einem einzigen Riesencluster. “Dieser dürfte schätzungsweise ein Drittel bis die Hälfte aller Kugeln miteinander verbinden”, vermutet Seemann.
Die Forscher fanden heraus, dass von einem Wasseranteil von unter einem Prozent bis rund zwanzig Prozent die inneren Kräfte im Kugel- und im Sandhaufen nahezu konstant sind. Zum Sandburgenbau brauchen Kinder daher kein Rezept ? die Wassermenge spielt gar keine Rolle. “Für uns Wissenschaftler war das sehr überraschend”, sagt Seemann. Da diese Gesetzmäßigkeiten für alle Pulver, Granulate und Körner gleichermaßen gelten, erhofft sich Seemann Anwendungen in der Industrie und in anderen wissenschaftlichen Disziplinen.
Ralf Seemann ( Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen,) et al.: Nature Materials, Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1038/nmat2117 ddp/wissenschaft.de ? Martin Schäfer
