Wenn Flüssigkeiten zu Gläsern werden

Wenn sich mikroskopisch kleine Partikel in einer Flüssigkeit immer dichter aneinanderdrängen, schränkt dies ihre Beweglichkeit zunehmend ein. Das Gemisch verfestigt sich, ohne eine regelmäßige Ordnung auszubilden, was in der Physik als Glasübergang bezeichnet wird. Physikerinnen und Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Tel Aviv-University (TAU) konnten nun nachweisen, dass nicht nur die Bewegung der Partikel selbst, sondern auch die Flüssigkeit in den Zwischenräumen messbare Spuren dieses Übergangs in sich trägt. Sie erläutern, wie sich diese bislang verborgene Dynamik sichtbar machen lässt.

Die Flüssigkeit im Fokus: Neue Perspektive auf den Glasübergang

Kolloide sind Suspensionen mikroskopisch kleiner Partikel in einer Flüssigkeit und dienen in der Physik häufig als Modellsysteme, um zu untersuchen, wie ungeordnete Materie in einen glasartigen Zustand übergeht. Erhöht man die Partikelkonzentration immer weiter, schränkt dies die freie Beweglichkeit der Teilchen massiv ein, bis sie stark verlangsamen und eine feste, ungeordnete Struktur bilden – ein Zustand, dessen fehlende Ordnung Glas von geordneten kristallinen Festkörpern unterscheidet. Während der Fokus der Forschung bislang vor allem auf den glasbildenden Partikeln selbst, ihrer Restgeschwindigkeit und dem Moment der Bewegungseinschränkung lag, wechselt die neue Studie aus Düsseldorf und Tel Aviv die Perspektive und untersucht die Bewegung der Flüssigkeit in den Zwischenräumen. Prof. Dr. Manuel A. Escobedo-Sánchez: „Wir zeigen, dass die Dynamik der Flüssigkeit messbare Informationen über den entstehenden Glaszustand enthält.“

Mikroskopischer Blickwechsel: Tracerpartikel enthüllen den Glasübergang

Um diese verborgene Dynamik zu untersuchen, nutzten die Forschenden sehr kleine Partikel, die sie im Mikroskop gezielt verfolgen konnten. Diese sogenannten Tracerpartikel sind deutlich kleiner als die glasbildenden Teilchen und bewegen sich in der Flüssigkeit zwischen den großen Brüdern. Indem das Team diese Bewegung mithilfe von Konfokalmikroskopen analysierte, konnte es sichtbar machen, wie sich die Flüssigkeit in den Zwischenräumen verändert, während das System zunehmend in einen glasartigen Zustand übergeht.

Patrick Laermann: „Unsere Arbeit eröffnet einen neuen Blickwinkel: Die kleinen Tracerpartikel zeigen uns, wie sich die Flüssigkeit zwischen den größeren Partikeln bewegt. So können wir besser verstehen, wie aus einem flüssigen Gemisch nach und nach ein glasartiger Zustand entsteht.“

Neues Fundament für biologische Transportprozesse

Die Studie verbindet experimentelle Weiche-Materie-Physik, konfokale Mikroskopie und theoretische Hydrodynamik. Während die experimentellen Arbeiten von Patrick Laermann und Prof. Manuel Escobedo-Sánchez im Rahmen der kolloid- und weichmateriephysikalischen Forschung an der HHU durchgeführt wurden, entwickelten die Forschenden der Tel Aviv University den theoretischen hydrodynamischen Rahmen. Damit knüpft die Arbeit an eine langjährige, international anerkannte Forschungslinie zur Kolloid- und Weiche-Materie-Physik an, die von Prof. Dr. Stefan U. Egelhaaf geprägt wurde.
Prof. Escobedo-Sánchez: „Unser Ansatz kann dabei helfen, die Bewegung von Teilchen in anderen dichten und ungeordneten Umgebungen besser zu verstehen, etwa im Inneren von Zellen oder in biologischen Geweben, wo viele Komponenten gemeinsam in Bewegung sind.“

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (05/2026)