Die wahre Gestalt der Röhre

23.07.2010: Was lange Zeit lediglich eine abstrakte Vorstellung war, ist jetzt endlich auch mathematisch und experimentell greifbar: Das so genannte Röhrenkonzept, das besagt, dass jedes einzelne Polymer einer Polymerschmelze oder Polymerlösung von seinen Nachbarn in einen röhrenförmigen Käfig eingesperrt wird, dem es nur durch sehr langsame, schlängelnde Bewegungen entkommen kann. Jens Glaser vom Institut für Theoretische Physik der Universität Leipzig, erster Autor eines jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (PRL) veröffentlichten Artikels, freut sich: „Die Röhre ist nun erstmals in ihrer tatsächlichen räumlichen Struktur verstanden.“

Das derzeitige physikalische Verständnis von Polymermaterialien wie etwa Plastik, Haarshampoo oder Wackelpudding beruht auf dem sogenannten Röhrenkonzept, das besagt, dass jedes einzelne Polymer einer Polymerschmelze oder Polymerlösung von seinen Nachbarn in einen röhrenförmigen Käfig eingesperrt wird, dem es nur durch sehr langsame, schlängelnde Bewegungen entkommen kann. Bislang haben Theoretiker diese Röhren gerne als effektive Zylinder idealisiert, aber die neue Arbeit in PRL weist nun ausgeprägte Heterogenitäten in der Röhrendicke nach und erklärt diese mithilfe einer systematischen mikroskopischen Theorie.

Das ist ein wichtiger Schritt zur Lösung einer modernen Variante des legendären gordischen Knotens. Auf der Nanoskala sehen Polymermaterialien nämlich aus wie enorme Portionen verhedderter Spaghetti, und die Polymerforschung versucht, ihre oft spektakulären Materialeigenschaften ausgehend von diesem molekularen Irrgarten vorherzusagen. Ähnlich Alexander dem Großen, der bekanntlich dem unentwirrbaren gordischen Knoten mit dem Schwert zu Leibe rückte, schlugen die beiden theoretischen Physiker Samuel F. Edwards und Pierre-Gilles de Gennes in den späten 1960er Jahren mithilfe des Röhrenkonzepts einen Weg vor, dieses molekulare Durcheinander mit einem Streich aufzulösen. Trotz beachtlicher Fortschritte, die auf diesem Weg erzielt werden konnten, blieb die Röhre selbst eine abstrakte hypothethische Vorstellung und konnte außerhalb von Computersimulationen nie richtig dingfest gemacht werden.

Einen Durchbruch brachten mikroskopische Beobachtungen von Biopolymeren wie Mikrotubuli und Aktin, aus denen sich in der Natur durch Selbstorganisation Netzwerke bilden, die wiederum tierischen und menschlichen Zellen ihre bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften verleihen. Durch Ausnutzung der im Vergleich zu synthetischen Polymeren sehr viel steiferen Struktur dieser Moleküle gelang Josef Käs, Helmut Strey, und Erich Sackmann eine direkte mikroskopische Visualisierung der Röhre. Für deren mittlere Dicke entwickelte David Morse, ausgehend von der tatsächlichen Topologie der Verhedderungen, eine systematische mikroskopische Theorie. Aufbauend auf diesen Errungenschaften und auf einigen neueren Beiträgen konnten nun zwei deutsche Arbeitsgruppen aus Leipzig und Jülich den ersten systematischen Vergleich einer erweiterten selbstkonsistenten Theorie der in Wahrheit ziemlich inhomogenen Röhre mit umfänglichen und präzisen Daten vorlegen. „Eine Reihe interessanter Fragestellungen, zum Beispiel hinsichtlich der Krümmungsverteilung der Röhren und deren Konsequenzen für die Fließeigenschaften von Polymeren, können nun neu angegangen werden”, kommentiert Glaser.