Man kann mithilfe von neuen Materialien schöne Dinge machen. Ferrofluide zum Beispiel sind Flüssigkeiten, in denen sich nanometer-große Kügelchen befinden, die durch ein angelegtes Magnetfeld stark polarisiert werden. Neben einer Menge technischer Anwendungen kann man mit diesen Flüssigkeiten auch wunderschöne Kunst herstellen, wie der folgende Film von Sachiko Kodama und Yasushi Miyajima zeigt.

Ein ähnliches Material, das anstelle eines Magnetfelds auf ein elektrisches Feld reagiert, ist eine elektrorheologische Flüssigkeit. Dabei befinden sich ebenfalls kleine Teilchen in einer Flüssigkeit. Wird ein elektrisches Feld angelegt, werden die Teilchen polarisiert, so dass sich ein sogenannter Dipol ausbildet—sie sind auf einer Seite positiv und auf der anderen negativ geladen. Die Teilchen richten sich dann in dem elektrischen Feld aus und bilden Ketten. Dadurch ändert sich das Fließverhalten der gesamten Flüssigkeit plötzlich—sie wird starrer. Sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird, kehrt die Flüssigkeit in den ursprünglichen Zustand zurück.

Letztes Jahr haben meine Kollegen in der Komplexe-Plasma-Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gezeigt, dass auch unsere Plasmen elektrorheologische Eigenschaften haben. Wie die regelmäßigen Leser dieses Blogs wissen, besteht ein Komplexes Plasma aus einem ionisierten Gas—dem Plasma—, in dem sich mikrometergroße Plastikkügelchen befinden. Diese Kügelchen laden sich im Plasma negativ auf. Wenn man sie außerdem mit einem Laser beleuchtet, kann man sie mit einer Videokamera beobachten und das Verhalten der Teilchen genau untersuchen. 

In normalen elektrorheologischen Flüssigkeiten sind die Teilchen selbst polarisiert, wie ich oben beschrieben habe. In den elektrorheologischen Plasmen wird die Polarisation durch einen Trick erreicht—und zwar mithilfe der positiv geladenen Ionen des Plasmas. Diese Methode wird in der Abbildung demonstriert:

 

Normalerweise bilden die Ionen eine Wolke um das negativ geladene Mikroteilchen herum, wie in a) gezeigt. Wenn sie in eine Richtung strömen (b), werden sie von der negativen Ladung auf dem Teilchen abgelenkt, und die positiv geladene Wolke befindet sich hinter dem Teilchen. Schafft man es, dass die Ionen so schnell abwechselnd nach oben und unten fließen, dass unser großes, schweres Mikroteilchen nicht hinterher kommt, "sieht" das Mikroteilchen auf beiden Seiten positive Wolken. Das wird erreicht, indem man ein elektrisches Wechselfeld anlegt, das genau eine passende Frequenz hat—so langsam, dass die Ionen folgen können, aber so schnell, dass die Mikroteilchen nur ein zeitlich gemitteltes Feld spüren.

Dieser Versuch wurde in dem PK-3 Plus-Aufbau auf der Internationalen Raumstation durchgeführt. Es wurden in mehreren Experimenten verschieden große Teilchen in das Argon-Plasma injeziert (mit Durchmessern zwischen 1.55 und 14.9 Mikrometern), und ein sinusförmiges Wechselfeld mit einer Frequenz von 100 Hz zusätzlich zu dem Radiofrequenz-Feld, das zur Erzeugung des Plasmas gebraucht wird, an die Elektroden angelegt.

String Fluid auf der ISS bei verschiedenen Spannungen – Ivlev et al., PRL 2008

Das Bild zeigt die Aufnahme von dem System mit 6.8 Mikrometer großen Teilchen bei verschiedenen Spannungen—das elektrische Feld verläuft senkrecht in den Bildern. Als Maßstab sind weiße Linien eingezeichnet, die 2 mm lang sind. Bei der niedrigen Spannung ist das System ungeordnet, nur eine Nahordnung ist sichtbar (die Teilchen sind schließlich negativ geladen und stoßen sich ab). Bei der hohen Spannung sind deutlich Ketten zu sehen, die die Teilchen parallel zum Feld bilden. Das komplexe Plasma bildet ein sogenanntes "String Fluid".

Dieser Effekt kann nun dazu verwendet werden, die elektrorheologischen Flüssigkeiten und deren Verhalten genau zu untersuchen, wobei man—anders als bei konventionellen Flüssigkeiten—jedes einzelne Teilchen beobachten kann.

A. V. Ivlev, G. E. Morfill, H. M. Thomas, C. Räth, G. Joyce, P. Huber, R. Kompaneets, V. E. Fortov, A. M. Lipaev, V. I. Molotkov, T. Reiter, M. Turin, & P. Vinogradov (2008). First Observation of Electrorheological Plasmas Phys. Rev. Lett., 100 : 10.1103/PhysRevLett.100.095003