Weichmaterie-Physik: Von Zahnpasta bis zum Pitch-Tropfen-Experiment

Das tägliche Auspressen einer Tube Zahnpasta veranschaulicht ein fundamentales physikalisches Prinzip: die Reaktion von Materie auf angelegte Kräfte. Materialien wie Gele und Cremes, die unter den Oberbegriff der Weichmaterie fallen, zeigen ein duales Verhalten, das sowohl feste als auch flüssige Eigenschaften kombiniert. Diese Stoffe bestehen aus größeren Bausteinen, wie Makromolekülen oder Tröpfchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind und durch schwache, leicht zu brechende Kräfte zusammengehalten werden. Die spezifische Antwort des Materials auf Belastung hängt entscheidend von der Stärke der Kraft und dem zeitlichen Rahmen der Anwendung ab, wobei ein plötzliches Quetschen zur Neuordnung des inneren Netzwerks und damit zum Fließen führt.

Die Untersuchung dieses zeit- und kraftabhängigen Verhaltens ist das zentrale Anliegen der Rheologie, einem Wissenschaftszweig, der sich mit der Verformung und dem Fließen unter Spannung befasst. Dieses Phänomen findet sich auch bei Kosmetika: Das Schütteln von Shampoo bewirkt eine Ausrichtung seiner wurmartigen Moleküle, was den Widerstand reduziert und das Ausgießen erleichtert. Die Erforschung dieser komplexen Materie bleibt aktuell, wie das Seminar "Future of Rheology" im Januar 2026 zeigt, welches Forschungsergebnisse von Studenten und Postdoktoranden der Fachgesellschaft Society of Rheology beleuchten wird.

Die wohl berühmteste Veranschaulichung dieser Prinzipien ist das Pitch-Tropfen-Experiment an der University of Queensland (UQ) in Brisbane, Australien, welches 1927 von Professor Thomas Parnell initiiert wurde. Ziel war es, die überraschenden Eigenschaften von Pitch zu demonstrieren, einem teerartigen Material, das sich bei Raumtemperatur fest anfühlt, aber tatsächlich eine extrem viskose Flüssigkeit darstellt. Parnell goss erhitztes Pitch in einen verschlossenen Trichter und schnitt 1930 den Stiel des Gefäßes ab, nachdem das Material abgekühlt war. Dieses Experiment hält den Guinness-Weltrekord als die am längsten laufende Labor-Demonstration der Welt.

Die Viskosität des untersuchten Bitumens wird auf das 200-milliarden- bis 230-milliarden-fache der von Wasser geschätzt, was die extrem langsame Fließgeschwindigkeit erklärt. Seit der Öffnung des Stiels sind bis April 2014 lediglich neun Tropfen gefallen, wobei der achte Tropfen im November 2000 fiel und aufgrund eines Stromausfalls nicht aufgezeichnet werden konnte. Der siebte Tropfen fiel am 3. Juli 1988 während der Weltausstellung in Brisbane, ohne dass ein Augenzeuge anwesend war. Der aktuelle, dritte Kustode, Professor Andrew White, der die Nachfolge von John Mainstone antrat, erwartet den zehnten Tropfen in den späteren 2020er Jahren. Die Bedingungen des UQ-Experiments sind nicht speziell kontrolliert, was die Fließrate saisonalen Temperaturschwankungen unterwirft und die Vorhersagbarkeit erschwert.

Die Demonstrationen des Pitch-Tropfen-Experiments dienen als Mahnung an die menschliche Wahrnehmung von Zeit und Materie und stellen eine Verbindung zur "tiefen Zeit" her, wie Professor White formulierte. Ähnliche Langzeitexperimente existieren, wie das im Royal Scottish Museum in Edinburgh von 1902, welches älter ist als das von Aberystwyth von 1914. Die Forschung in diesem Bereich, die das viskoelastische Verhalten von Materialien untersucht, wird durch Wissenschaftler wie Dr. Indresh Yadav, Assistant Professor am IIT-Bhubaneswar und Research Affiliate am MIT, weiter vorangetrieben. Die alltägliche Handhabung von Produkten wie Zahnpasta enthüllt somit ein faszinierendes Kapitel der modernen Physik, das das Gleichgewicht zwischen Struktur und Fließen beleuchtet.