Selbstorganisation durch Schallwellen

Am 19. Juni wurde in der Zeitschrift Nature Materials eine Studie veröffentlicht, die Fragen zum Energieverlust und zur Anpassung belebter und unbelebter Systeme an ihre Umgebung im thermodynamischen Ungleichgewicht beantworten könnte.„Dynamische Selbstorganisation im Nichtgleichgewicht ist nicht nur in der Physik von Bedeutung, sondern auch in der belebten Natur“, sagte Professor Xiang Zhang, korrespondierender Autor der Studie und leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaft am Lawrence Berkeley National Laboratory. „Die zugrunde liegenden Prinzipien sind allerdings nur zum Teil verstanden.“

Der Co-Hauptautor Dr. Chad Ropp, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Zhangs Gruppe, erläuterte:

„Wir zeigen, dass einzelne ‚geistlose‘ Teilchen sich weit entfernt vom Gleichgewicht durch Dissipation von Energie selbst organisieren können und ein kollektives Merkmal entwickeln, das sich dynamisch an die Umgebung anpasst. […] In diesem speziellen Fall folgten sie dem ‚Takt‘ von Schallwellen, die vom Lautsprecher eines Computers erzeugt wurden.“

Bemerkenswerterweise haben sich die Teilchen, nachdem die Forscher eine Gruppe von ihnen absichtlich aufgetrennt hatten, wieder zusammengesetzt und somit gezeigt, dass sie sich selbst „heilen“ können.

Während die vom Lautsprecher ausgehenden Schallwellen mit einer Frequenz von vier Kilohertz [kHz] schwangen, bewegten sich die zerstreuten Teilchen mit einer Geschwindigkeit von einem Zentimeter pro Minute. Innerhalb von zehn Minuten zeigte sich das kollektive Muster, bei dem der Abstand zwischen den Teilchen erstaunlich ungleichförmig war. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die selbstorganisierten Teilchen eine phononische Bandlücke – einen Frequenzbereich, in den akustische Wellen nicht eindringen können – aufwiesen, deren Grenzen untrennbar mit dem 4-kHz-Input verbunden waren.

„Das ist ein Merkmal, das nicht bei den einzelnen Teilchen aufgetreten ist“, sagte Dr. Nicolas Bachelard, ein weiterer Co-Hauptautor und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Zhangs Team. „Es zeigte sich nur, wenn die Teilchen sich kollektiv organisierten. Deshalb nennen wir das eine emergente Eigenschaft unserer Struktur in Nichtgleichgewichtszuständen.“

Quelle: Phys.org, 19.06.2017, http://tinyurl.com/ybefq2ah

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