Experiments on Granular Monolayers : Tuning Shape, Interaction and Analysis

Simeon Völkel
2021
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich experimentell mit granularer Materie, wobei der Fokus auf Monolagen liegt. Die Experimente beleuchten im ersten Schritt das Verhalten eines einzelnen Teilchens in Abhängigkeit von dessen Partikelform. Hierbei werden Scheiben in einem flachen Container unter vertikaler Anregung betrachtet, deren Umriss als reguläres Polygon mit drei bis acht Ecken systematisch variiert wird. Dabei zeigen sich qualitativ verschiedene Winkelgeschwindigkeitsverteilungen für
more » ... rade und ungerade Eckenzahl, sowie eine Kopplung zwischen lateraler Bewegung und Rotation. Die charakteristische Winkelgeschwindigkeit wird näherungsweise mit einem mathematischen Modell beschrieben, welches kontinuierliche Präzession annimmt und die stetige Abhängigkeit von der Containerhöhe im Experiment erfasst. In der Translation zeigt sich eine sprunghafte Mobilitätszunahme oberhalb einer kritischen Containerhöhe, welche das Modell allerdings nicht zu erklären vermag. Die Scheiben legen zudem ein "Gedächtnis" bezüglich ihrer Rotationsrichtung an den Tag, welches von ihrer Form abhängt. Das kollektive Verhalten wird im zweiten Schritt anhand einer horizontalen Monolage von regulären Sechskantscheiben experimentell untersucht. Dabei werden zwei stationäre Nichtgleichgewichtszustände näher betrachtet, welche an die Rotator-Phase eines plastischen Kristalls bzw.~an eine Flüssigkeit erinnern. Zwischen diesen zeigt sich in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz ein abrupter Übergang. Es deutet sich an, dass unter Umständen auch das Steigern der Vibrationsamplitude zum "Schmelzen" führen kann. Zu dessen Quantifizierung wird eine verbesserte Version des bond orientational order parameters sowie die Paarverteilungsfunktion herangezogen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf zwei Strategien, die Interaktion in einem Granulat gezielt über die reine Kontaktwechselwirkung zwischen den Teilchen hinaus auszudehnen. Für den Ansatz des teilweise nassen Granulats wird untersucht, inwieweit ein handelsüblicher Tintenstrahldruckkopf eine pr [...]
doi:10.15495/epub_ubt_00005932 fatcat:baa5wgcgavdb5af6c4mpbxsjlq