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Beim Abkühlen verändern sich kooperative Teilchenbereiche
In unterkühlten Flüssigkeiten bewegen sich Teilchen nicht unabhängig, sondern bilden zeitweise gemeinsam bewegliche Bereiche. Neue Simulationen zeigen, dass die räumliche Reichweite dieser kooperativen Bewegung beim Abkühlen zunächst wächst, nahe einer charakteristischen Crossover-Temperatur ein Maximum erreicht und danach wieder schrumpft. Der Befund widerspricht der Vorstellung eines unbegrenzt wachsenden Kollektivs, ist aber bislang nur als Preprint veröffentlicht.
Eindhoven (Niederlande). Wenn eine Flüssigkeit stark abkühlt, kann ihre Bewegung fast zum Stillstand kommen, ohne dass sich die Teilchen wie in einem Kristall regelmäßig anordnen. Gerade dieser Gegensatz macht den Glasübergang physikalisch so schwer zu erklären. Die Dynamik verlangsamt sich drastisch, obwohl sich die mittlere Struktur nur vergleichsweise wenig verändert.
Eine wichtige Spur liefern sogenannte dynamische Heterogenitäten. Dabei bewegen sich nicht alle Teilchen gleich, sondern manche Regionen bleiben nahezu unbeweglich, während andere Teilchengruppen kooperativ umlagern. Bisher wurde häufig angenommen, dass die räumliche Reichweite dieser kooperativen Dynamik beim Abkühlen immer weiter zunimmt.
Forscher der Eindhoven University of Technology (TU/e) um Dr. Liesbeth M. C. Janssen haben diese Annahme nun mit Computersimulationen überprüft. Für ein zweidimensionales und ein dreidimensionales Modellglas verfolgte das Team die Bewegung vieler einzelner Teilchen über verschiedene Temperaturen hinweg. Der zugrunde liegende Forschungsbericht ist derzeit als Preprint veröffentlicht und noch nicht fachbegutachtet.
Die Simulationen umfassten im dreidimensionalen System 100.000 Teilchen und im zweidimensionalen System 10.000 Teilchen. Um verschiedene Temperaturen sinnvoll vergleichen zu können, betrachteten die Forscher nicht nur die absolute Simulationszeit, sondern den jeweiligen Fortschritt der strukturellen Relaxation. So konnten sie getrennt untersuchen, wie sich räumliche Korrelationen während der frühen Beta-Relaxation und der späteren Alpha-Relaxation entwickeln.
Entscheidend war eine räumlich aufgelöste Vier-Punkt-Korrelation, mit der sich bestimmen lässt, über welche Entfernung die Beweglichkeit verschiedener Teilchen miteinander zusammenhängt. Aus dieser Größe leitete das Team eine dynamische Korrelationslänge ab. Sie beschreibt vereinfacht, wie weit ein gemeinsam bewegter Bereich im Material reicht.
Das Ergebnis ist nicht monoton. Beim Abkühlen wächst die dynamische Korrelationslänge zunächst und erreicht in der Nähe der von der Modenkopplungstheorie beschriebenen Crossover-Temperatur ein Maximum. Wird das System noch weiter gekühlt, nimmt die räumliche Reichweite in der Beta-Relaxation wieder ab, obwohl die lokalen Schwankungen der Beweglichkeit weiter stärker werden.
Damit verändert sich nicht nur die Stärke der dynamischen Heterogenität, sondern auch ihre Form. Oberhalb des Crossovers werden die gemeinsam bewegten Bereiche zunehmend ausgedehnt. Unterhalb davon erscheinen die mobilen Regionen kompakter und stärker lokalisiert. Die Teilchenbewegung wird demnach nicht immer großräumiger kooperativ, sondern konzentriert sich bei tieferen Temperaturen wieder auf kleinere Bereiche.
Dieses Verhalten passt zu einer erweiterten Theorie, in der die von der klassischen Modenkopplungstheorie vorhergesagte scharfe Übergangssingularität durch räumliche Fluktuationen abgerundet wird. Statt eines abrupten dynamischen Stillstands entsteht demnach ein kontinuierlicher Crossover. Die im Preprint berechnete Entwicklung der Korrelationslänge stimmt nach Angaben der Autoren quantitativ mit dieser Beschreibung überein.
Der Befund liefert damit ein räumliches Indiz dafür, warum die idealisierte Übergangstemperatur in realistischen endlichen Systemen nicht als echte Singularität erscheint. Die Korrelationen werden nahe dem Crossover besonders weitreichend, wachsen aber nicht unbegrenzt. Unterhalb dieser Temperatur gewinnt offenbar wieder stärker lokalisierte Dynam