title: Experiments on Granular Monolayers : Tuning Shape, Interaction and Analysis
Creators: name: Völkel, Simeon
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2021
Subjects: subject: Granulare Materie
subject: Monolage
subject: 530

description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich experimentell mit granularer Materie, wobei der Fokus auf Monolagen liegt. Die Experimente beleuchten im ersten Schritt das Verhalten eines einzelnen Teilchens in Abhängigkeit von dessen Partikelform. Hierbei werden Scheiben in einem flachen Container unter vertikaler Anregung betrachtet, deren Umriss als reguläres Polygon mit drei bis acht Ecken systematisch variiert wird. Dabei zeigen sich qualitativ verschiedene Winkelgeschwindigkeitsverteilungen für gerade und ungerade Eckenzahl, sowie eine Kopplung zwischen lateraler Bewegung und Rotation. Die charakteristische Winkelgeschwindigkeit wird näherungsweise mit einem mathematischen Modell beschrieben, welches kontinuierliche Präzession annimmt und die stetige Abhängigkeit von der Containerhöhe im Experiment erfasst. In der Translation zeigt sich eine sprunghafte Mobilitätszunahme oberhalb einer kritischen Containerhöhe, welche das Modell allerdings nicht zu erklären vermag. Die Scheiben legen zudem ein "Gedächtnis" bezüglich ihrer Rotationsrichtung an den Tag, welches von ihrer Form abhängt. Das kollektive Verhalten wird im zweiten Schritt anhand einer horizontalen Monolage von regulären Sechskantscheiben experimentell untersucht. Dabei werden zwei stationäre Nichtgleichgewichtszustände näher betrachtet, welche an die Rotator-Phase eines plastischen Kristalls bzw.~an eine Flüssigkeit erinnern. Zwischen diesen zeigt sich in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz ein abrupter Übergang. Es deutet sich an, dass unter Umständen auch das Steigern der Vibrationsamplitude zum "Schmelzen" führen kann. Zu dessen Quantifizierung wird eine verbesserte Version des bond orientational order parameters sowie die Paarverteilungsfunktion herangezogen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf zwei Strategien, die Interaktion in einem Granulat gezielt über die reine Kontaktwechselwirkung zwischen den Teilchen hinaus auszudehnen. Für den Ansatz des teilweise nassen Granulats wird untersucht, inwieweit ein handelsüblicher Tintenstrahldruckkopf eine präzise Kontrolle der Wasserverteilung ermöglicht. Für den Ansatz eines magnetischen Granulats wird ausblickend demonstriert, wie sich eine besonders schnell abfallende magnetische Interaktion technisch realisieren lässt, indem die Teilchen aus je acht Kugelmagneten geformt werden. Abschließend wird ein Schlaglicht auf vier bemerkenswerte Auswertetechniken geworfen. Drei Interpolationsalgorithmen für die Ergebnisse einer diskreten Fouriertransformation werden anhand von Messdaten verglichen. Für die Darstellung von Wahrscheinlichkeitsdichten wird der optimale Einsatz eines Kerndichteschätzers diskutiert. Im Fall der Kreisdetektion in Kamerabildern mittels der Hough Transformation wird ein Fallstrick bei der Leistungsoptimierung hervorgehoben. Für die konsistente Auswertung lokaler Größen wird die Bedeutung der Mengen-Voronoi-Zerlegung am Beispiel eines stäbchenförmigen Granulats illustriert. Darüber hinaus wird die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entstandene Software-Bibliothek vorgestellt, welche die Berechnung der Mengen-Voronoi-Zerlegung für den experimentell besonders häufigen zweidimensionalen Fall ermöglicht.