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Grazile Spitzen und spuckende Fische

Hannelore Dittmar-Ilgen

Grazile Spitzen und spuckende Fische

75 faszinierende Fotos... und die Wissenschaft dahinter





BookRix GmbH & Co. KG
80331 München

Eine ganz besondere Fotoexkursion

Wie kommen diese grazilen Spitzen zustande und warum spucken in der Schüssel Fische herum? Ich hoffe, ich kann Euch diese Fragen beantworten, die wahrscheinlich dem einen oder anderen Betrachter meiner Fotos, die oft zufällig entstanden sind, durch den Kopf gegangen sind. Und noch mehr: Ich möchte Euch neben einigen Erklärungen auch die wissenschaftlichen, speziell die physikalischen, Hintergründe erläutern, die dem erstaunlichen Foto zugrunde liegen.

Folgt mir bei meiner "Fotoexkusion", für die Ihr keine Formeln und auch nur wenig Vorwissen benötigt. Und greift ab und zu mal zu Experimentiermaterial und probiert das eine oder andere aus. Denn hier ist nichts profimäßig inszeniert oder gar mit Photoshop zurecht gemacht, auch meine Fotos nicht. Ich bin einfach Ideen, spontanten Einfällen und oft auch Momentaufnahmen gefolgt. Ihr müsst das Buch übrigens nicht von vorne bis hinten lesen, denn die einzelnen Kapitel hängen nicht voneinander ab. Schlagt einfach irgendwo auf und fangt Sie an. Oder Ihr lasst Euch von einem meiner Fotos "verführen".

Viel Vergnügen wünscht die Physikhexe

 

Noch schnell eine Bemerkung, sozusagen das Kleingedruckte: Alle "Fotos" habe ich selbst gemacht und das Hintergrundwissen sorgfältig recherchiert und aufgeschrieben. Aber auch mir unterläuft einmal ein Fehler. Zudem kenne ich natürlich Eure heimischen Verhältnisse beim Experimentieren nicht. Daher kann ich keine Haftung übernehmen – oft genügt jedoch gesunder Menschenverstand, um einen „Patzer“ zu erkennen.

Grazile Spitzen bilden sich aus

 

Abb. 1: Wie kommt nur dieses Spitzenmuster zustande?

 

Die bräunliche Flüssigkeit in diesem Glasschälchen ist wirklich überraschend, denn in einem (starken) Magnetfeld kann sie zauberhafte Spitzen ausbilden. Dabei handelt sich um eine magnetische Flüssigkeit – kurz auch Ferrofluid genannt. Für ihre erstaunlichen Fähigkeiten sorgen winzige suspendierte Magnetteilchen.

Die Idee, den an Festkörper gebundenen Magnetismus zu verflüssigen, ist übrigens schon sehr alt. Eine erste Überlieferung geht auf das Jahr 1779 zurück, in dem ein gewisser Gowan Knight versuchte, eine stabile Suspension aus Eisenfeilspänen und Wasser herzustellen. Allerdings hatte er mit seinen Experimenten wenig Erfolg – die magnetischen Teilchen ballten sich untrennbar aneinander. Als Geburtsstätte heutiger magnetischer Flüssigkeiten gilt die NASA (die auch ein Patent hat). Im Jahr 1962 entwickelte dort Stephen Pawell das erste stabile Ferrofluid als Dichtungsmöglichkeit für Treibstoffpumpen. Es bestand aus Kerosin, in dem fein verteilte Partikel aus Magnetit (einem Eisenoxid, auch Magneteisenstein genannt) schwebten. Damit die Teilchen nicht verklumpen oder aus der Suspension ausfallen konnten, fügte Papell Ölsäure hinzu. Die langen Moleküle dieser organischen Säure kleiden die Magnetitteilchen im wahrsten Sinne des Wortes in einem molekularen Käfig oder Mantel ein. Diese Schicht wirkt wie ein elastisches Kissen und hält die Magnetteilchen auf Abstand.

Inzwischen gibt es eine Vielzahl von Verfahren, Ferrofluide herzustellen. Bei allen müssen die beiden Probleme, nämlich dass sich die ferromagnetischen Teilchen in der Flüssigkeit möglichst gleichmäßig verteilen und nicht zusammenballen, gelöst werden. Die Kleinheit der magnetischen Teilchen sorgt quasi von selbst dafür, dass diese in der Trägerflüssigkeit schweben – denkt an kleinste Trubstoffe in Wasser, die nicht absinken können, weil sie ständig von Wassermolekülen herumgestoßen werden. Und eine oberflächenaktive Substanz hüllt mit ihren Molekülen die Teilchen ein, sodass sie nicht miteinander reagieren können. Daher verfügen Ferrofluide immer über mindestens drei Komponenten: magnetische Mikrokristalle oder Nanoteilchen, eine oberflächenaktive Substanz als Stabilisator und eine Trägerflüssigkeit. Bei der Trägerflüssigkeit haben wir eine große Auswahl, beispielsweise Wasser oder Kohlenwasserstoffe bzw. Öle, so dass sich prinzipiell jede Flüssigkeit in ein Ferrofluid verwandeln lassen kann.

Die besonderen Eigenschaften der magnetischen Flüssigkeit werden allerdings nur in Gegenwart von Magnetfeldern sichtbar. Das Ferrofluid, mit dem ich experimentiert habe, war ein Geschenk von meinem Sohn; man kann es in kleinen Glasflaschen kaufen. Die Flüssigkeit enthält sehr kleine Teilchen aus ferromagnetischem Material, in der Regel sind dies Magnetit-Teilchen mit einer Größe von nur ca. 10 Nanometer (0,00001 mm). Als Chemiker hat mein Sohn einige Milliliter der Flüssigkeit in eine abgeschmolzene (also jetzt fest verschlossene) Glasampulle abgefüllt. Mit ihr lässt sich schön zeigen, wie die magnetische Anziehung der Schwerkraft in Foto Nr. 2 trotzt. Eindrucksvoller ist es, wenn wir einen Draht durch die Flüssigkeit schieben und durch diesen einen kleinen Strom fließen lassen. Allerdings hat mich das "Herumschmieren" mit dem Ferrofluid von diesem Versuch abgehalten.

 

Abb. 2: Magnetische Flüssigkeiten haben Bergsteigerqualitäten

 

Als nächstes können wir das Ferrofluid in eine flache Schale gießen und auf einen Permanentmagneten stellen. Für diesen Versuch habe ich einen zylinderförmigen Supermagneten benutzt, auf dem ich das Schälchen kurzerhand platziert habe. Das Ergebnis seht Ihr in Foto 3. Solche Magnete bestehen aus Neodym, das stärkste bekannte Material für Permanentmagnete. Dieser Magnetwerkstoff ist eine Legierung aus Neodym, Eisen und Bor (NdFeB). In meinem Fall floss das zunächst im Schälchen ausgebreitete Ferrofluid zu einem äußeren Ring zusammen – hier befindet sich augenscheinlich der Bereich der größten Feldstärke.

 

Abb. 3: Das Ferrofluid sammelt sich an den Stellen größter Magnetfeldstärke

 

Aber wie entsteht das bizarre Gebirge aus dem ersten Foto? Für diesen Versuch habe ich das Schälchen auf einige Zuckerstückchen als Abstandshalter zu dem starken Supermagneten gestellt. Tatsächlich ist noch nicht abschließend geklärt, wie die erstaunlichen Spitzenmuster entstehen, die man in gewöhnlichen Flüssigkeiten noch nie beobachtet hat. Aber es gibt Hinweise. Die regelmäßig verteilten Flüssigkeitskegelchen stellen einen Gleichgewichtszustand zwischen Oberflächenkräften, Erdanziehungskraft und magnetischen Kräften dar. Ist der Abstand zum Supermagneten nämlich größer, so kommen auch Kräfte in der Flüssigkeit ins Spiel, die zum Beispiel für die Tropfenbildung verantwortlich sind. Nähern wir das Schälchen dem Magneten, so ist zu beobachten, dass an einem gewissen Punkt die Oberfläche des Ferrofluids plötzlich aufbricht und sich die Stacheln bilden. Dabei unterdrücken diejenigen Spitzen, die zufällig etwas schneller wachsen als andere ihre Nachbarn und dehnen sich auf deren Kosten aus. Alles ist – abhängig vom Abstand und kleinen Instabilitäten am Anfang – fein austariert. Das Muster ist stabil, bildet sich jedoch in leicht veränderter Form erneut, wenn wir das Schälchen hochnehmen und wieder absetzen. Eine ideale Spielwiese!

Genutzt werden magnetische Flüssigkeiten heute immer noch zu Dichtungszwecken, jedoch auch im medizinischen Bereich. Bei der magnetothermischen Therapie zur Behandlung von Tumorerkrankungen werden nämlich derartige Nanopartikel ins befallene Gewebe injiziert und mit einem externen Magnetfeld gezielt erwärmt. Und toxische oder radioaktive Stoffe können selbst in geringster Konzentration aus verunreinigten Lösungen oder Abwässern durch Adsorption auf magnetischen Nanoteilchen entfernt werden.

Es leuchtet im Verborgenen

 

Abb. 4: Was leuchtet denn hier im Felsdunkel?

 

Ich will Euch gar nicht auf die Folter spannen, es ist Leuchtmoos. Man kann es im Eingangsbereich von Höhlen oder in dunklen Felsspalten entdecken, wo nur selten mal ein Sonnenstrahl hinfällt - so wie auf diesem Foto. Aber woher kommt die Energie für das Leuchten? Ein chemischer Lumineszenzeffekt (wie bei den Glühwürmchen) oder Phosphoreszenz (wie bei den leuchtenden Zeigern einer Uhr) ist es jedenfalls nicht, denn in absoluter Dunkelheit ist dieses besondere Moos auch dunkel. Und versperren wir dem Moos durch unseren eigenen Schatten das bisschen Licht, das es noch erreicht, verschwindet das Leuchten fast vollständig.

Auch Moose sind Pflanzen und benötigen Lichtenergie für ihre Photosynthese. Bei dieser Pflanze macht sich die Natur das Sammelprinzip von wassergefüllten Kugeln zunutze. Dabei ist es nicht die Pflanze selbst, die dort hellgrün leuchtet, sondern die Vorkeime, die mithilfe eines optischen Systems das wenige Licht auf ihre für die Photosynthese zuständigen Blattgrünkörper, die Chloroplasten, konzentriert. Es handelt sich um eine mit Wasser gefüllte Ausbuchtung, die das Restlicht sammelt. Man könnte sie getrost als Wasserlinse bezeichnen.

Da das Chlorophyll hauptsächlich – wie bei anderen Pflanzen auch – die roten und blauen Lichtanteile absorbiert, wird der grüne Anteil von der Zellrückwand wieder abgestrahlt – so entsteht das grüne Leuchten des Leuchtmooses. Auch wenn es sich beim Leuchten um einen rein physikalischen Effekt handelt, stellt dies eine evolutionäre Anpassung an sehr dunkle Standorte dar. In Island "bevölkert" das Leuchtmoos ganze Täler und kann durch seine guten Lichtsammeleigenschaften nicht nur die dunklen Winter, sondern auch viele trübe Tage überstehen. Es bildet einen wunderschönen Kontrast zum schwarzen Untergrund.