Simulationen sind sehr hilfreich, wenn es darum geht, das Verhalten von technischen

Systemen zu verstehen. Um die Wirklichkeit gut genug abzubilden, sind wissenschaftliche

Simulationen häufig komplex und werden auf Großrechnern durchgeführt. Solche Simulationen

können wir hier nicht ohne weiteres zeigen. Stattdessen möchte ich nun eine interaktive

Webseite vorstellen, die Studierende in meiner Arbeitsgruppe erstellt haben. Ziel der Webseite

ist es, die Funktionsweise einer chromatografischen Säule stark vereinfacht zu demonstrieren.

Ihr als Zuschauer habt nun die Möglichkeit, in unsere Fußstapfen zu treten. Los geht's!

Durch Eingabe der hier auf dem Bildschirm angezeigten Adresse im Webbrowser gelangt

ihr auf die Startseite des Simulationstools. Hier gibt es zuerst einen kurzen Überblick.

Durch Klicken auf Start geht es los. Auf der ersten Seite wird eine einfache

Chromatographiesäule simuliert. Die Chromatographiesäule wird mit identischen roten Partikeln befüllt.

Starten wir die Simulation durch Klicken auf die Checkbox. In der vereinfachten Darstellung

entspricht die Säule einer Kugelbahn. Die Teilchen sind Kugeln, die von oben in die Säule eingefüllt

werden. Die Kugeln folgen der Gravitation und fallen über mehrere Ebenen nach unten. Dabei

stoßen sie miteinander und mit dem porösen Medium, hier idealisiert durch die abwechselnden Ebenen.

Da die Simulation so sehr langsam abläuft, können wir sie beschleunigen, indem wir den

Geschwindigkeitsbutton auf Mittel setzen. Jetzt geht es schon viel schneller. Die Teilchen

bewegen sich wie ein Wurm nach unten. Auf der rechten Seite befindet sich das Chromatogramm.

Das Chromatogramm ist ein Balkendiagramm. Einzelne Balken entsprechen Durchgangszeiten der Teilchen

durch die Kugelbahn. Die Höhe der Balken entspricht der Häufigkeit der Durchgangszeiten. Hier zu sehen

ist also, dass die meisten Teilchen circa 40 Zeiteinheiten benötigen, um die Kugelbahn wieder

zu verlassen. Man sieht auch, dass eine längere Simulation die Statistik verbessert. Die Fluktuation

zwischen den einzelnen Balken werden immer kleiner. Die Kurven werden immer glatter. Noch

schneller geht es, wenn wir die Geschwindigkeit auf schnell setzen. Dann rauschen die Teilchen nur so

durch. In unserer Simulation möchten wir sicherstellen, dass die Ergebnisse genügend genau

sind. Wir sagen dann, die Ergebnisse sind statistisch signifikant. Ein zusätzlicher

Parameter ist die Affinität der Nanoteilchen zur Wand. Im Experiment beschreibt dies, wie stark die

Teilchen, die wir trennen möchten, in ihrer Bewegung durch die Chromatographiesäule behindert werden.

Hier ist die Affinität als Rollreibung der Kugeln implementiert. Wenn wir die Affinität erhöhen,

so verschiebt sich die Retentionszeit in der Säule von circa 40 auf circa 60 bis schließlich auf

circa 80. Im nächsten Schritt werden der Säulen jetzt zwei Arten von Partikeln zugeführt. Rote,

große Kugeln und grüne, kleine Kugeln. Die Kugeln blockieren und beeinflussen sich gegenseitig. Wir

können die Wechselwirkung im Prinzip unterdrücken, wenn wir die Konzentration verringern. Im

Experiment kann dies der Fall sein. Hier ist es allerdings nicht realisiert. Ich schalte wieder

eine Schuhe viel schneller und dann noch schneller. Jetzt sind im Histogramm zwei maximal zu sehen.

Ein rotes für die roten Kugeln und ein grünes für die grünen Kugeln. Offensichtlich sind die

grünen Kugeln etwas schneller, denn ihre Retentionszeit ist im Mittel etwas gering.

Wir sehen diesen Unterschied allerdings erst, wenn wir die Zahl der Experimente ausreichend erhöhen,

das heißt, wenn die Statistik ausreichend gut ist. Durch Erhöhung der Affinität der

roten Partikel können wir diese verlangsamen. Die Peaks verschieben sich weiter, die Trennwirkung

wird verbessert. Wir können die Trennwirkung natürlich auch umkehren, wenn wir stattdessen

die Affinität der kleinen grünen Kugeln erhöhen. Die Peaks sind hier noch nicht klar getrennt.

Offensichtlich gibt es ein komplexes Wechselspiel zwischen den beiden Partikelarten.

Wie können wir die Trennung weiter verbessern? Im Experiment kann man hierzu die Partikel mehrmals

durch die Chromatographiesäule schicken. Teilchen, die die Säule unten verlassen, werden von oben

wieder zugeführt und zwar exakt in der Reihenfolge und mit dem Vorsprung, den sie sich beim ersten

Durchlauf erarbeitet haben. Die Zahl der Durchläufe beträgt zuerst zwei. Danach wird das Experiment

immer wieder von vorne gestartet, um eine gute Statistik zu erhalten. Wenn ich auf schnelles

schalte, so bildet sich im Laufe der Zeit eine Verteilung heraus, bei der die grünen Teichen

etwas schneller sind als die roten. Um besser zu trennen, können wir noch häufiger recyceln,