Meer deeltjes, meer beweging
NATUURKUNDE beeld: C. Huygelen
Wat als deeltjes niet langzamer, maar juist sneller gaan bewegen in een drukke groep? Natuurkundigen uit Leiden ontdekten dat deeltjes bij botsingen energie aan elkaar doorgeven. Hoe dichter ze op elkaar zitten, hoe meer ze gaan bewegen.
Hoe bewegen grote groepen deeltjes?
We kennen allemaal drukke situaties: mensenmassa’s of files op de snelweg. Als het te vol wordt, kun je geen kant meer op. Tot nu toe onderzochten wetenschappers vooral dit soort situaties, waarin beweging juist afneemt zodra het druk wordt.
Maar wat als het tegenovergestelde gebeurt? Wat als deeltjes juist meer gaan bewegen als ze dicht op elkaar zitten? Die vraag is tot nu toe weinig onderzocht. Natuurkundigen Marine Le Blay, Joshua Saldi en Alexandre Morin van de Universiteit Leiden doen samen onderzoek naar ‘actieve materie’: ze bestuderen het gedrag van grote groepen deeltjes die samen bijzondere patronen of bewegingen vertonen.
Dit onderzoek werd gepubliceerd in Nature Physics: Control of collective activity to crystallize anoscillator gas door Marine Le Blay, Joshua H.K. Saldi & Alexandre Morin.
-
Honderden metalen bolletjes van 1mm tussen twee glazen platen van 15 x 15 cm -
De onderzoeksopstelling, een high-speed camera maakt foto's van de glazen platen met de metalen bolletjes
Metalen bolletjes tussen elektrische platen
In hun experimenten gebruikten Le Blay, Morin en Saldi hele kleine metalen bolletjes van één millimeter groot. Deze plaatsten ze tussen twee glazen platen. Maar dat waren niet zomaar glasplaten: ‘De platen zijn ook elektroden’, legt Saldi uit. ‘De bolletjes bewegen uit zichzelf niet, maar wanneer we elektriciteit op de twee platen zetten, beginnen ze op en neer te springen. Ze bewegen razendsnel heen en weer tussen de twee glasplaten, zo’n honderd keer per seconde. Zo brengen we energie in het systeem.’
Deze creatieve opstelling in het lab is gebouwd met hulp van de Fijnmechanische Dienst van de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen.
‘Terwijl de bolletjes bewegen, maken we 300 tot 400 opnames per seconde met een hogesnelheidscamera’, vertelt Morin. ‘Van al die beelden maken we slowmotion-video’s, zodat we precies zien wat er gebeurt. We volgen elk bolletje van beeld naar beeld en maken nauwkeurige statistieken van hoe ze bewegen. Eén middag experimenteren vult een hele harde schijf. We gebruiken een krachtige computer en slimme analysetools om alles door te rekenen.’
Meer drukte = meer beweging
Zitten er maar een paar bolletjes in het systeem, dan gebeurt er weinig. Maar zodra het er honderden of zelfs duizenden zijn, verandert dat totaal: de bolletjes beginnen wild te bewegen. Ze vormen een chaotisch, constant bewegend geheel.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofHoe kan dat? Bij het analyseren van de bewegingen zagen de onderzoekers dat de botsingen tussen de bolletjes bijzonder zijn. In plaats van energie te verliezen, zoals een stuiterbal die uiteindelijk tot stilstand komt, geven de bolletjes juist energie aan elkaar door bij elke botsing. Daardoor ontstaat nóg meer beweging. Hoe meer bolletjes, hoe meer botsingen — en hoe actiever het hele systeem wordt.
Het systeem sturen
‘Nu we begrijpen hoe de bolletjes energie opbouwen, willen we ook kijken of we hun gedrag kunnen beïnvloeden’, legt Morin uit. In plaats van de elektrische stroom constant aan te laten staan, schakelden ze het veld telkens aan en weer uit.
Wat bleek? Hoe sneller ze het elektrisch veld aan- en uitschakelden, hoe langzamer de beweging van de bolletjes werd. En er gebeurde nóg iets: de structuur van de groep veranderde. Door simpelweg aan een knopje op het stroomapparaat te draaien, creëren de onderzoekers verschillende structuren die lijken op drie bekende toestanden van materie: gas, vloeistof en kristal.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofWaarom deze ontdekking belangrijk is
‘Dit is een belangrijke ontdekking’, zegt Morin, ‘omdat het laat zien dat deeltjes zich op manieren kunnen organiseren die we nog niet kenden’. Het opent de deur naar nieuwe soorten gedrag in groepen deeltjes, met mogelijke toepassingen in technologie, biologie en materiaalkunde.
Hoewel het onderzoek nog in een vroeg stadium is, denkt Morin dat deze ontdekking kan helpen bij het ontwikkelen van slimme materialen. Levensvormen – zoals planten, dieren of cellen – kunnen allerlei dingen: onthouden, groeien, genezen en informatie verwerken. Gewone door de mens gemaakte materialen – zoals stof of staal – kunnen dat niet. Dit onderzoek laat zien dat ook eenvoudige materialen spontaan van vorm kunnen veranderen en nieuwe patronen kunnen maken. Een stap richting beter ontworpen en meer geavanceerde materialen.