Natuurkunde Normaal gesproken bewegen objecten minder snel als ze dichter bij elkaar zitten, maar Leidse onderzoekers ontdekten hoe metalen bolletjes juist sneller gingen stuiteren met nabije buren.
In hun experiment gebruikten de Leidse onderzoekers metalen bolletjes van een millimeter groot die ze tussen twee glazen platen plaatsten.
Als het ergens druk wordt, beweeg je minder snel. Op een volle snelweg ontstaat file. In een mensenmassa kom je nauwelijks vooruit. En zelfs moleculen in een gas vertragen als je ze samenperst tot een vloeistof of vaste stof.
Maar drukte betekent niet altijd vertraging, ontdekten Leidse onderzoekers. Ze zagen metalen bolletjes juist meer bewegen als ze dichter op elkaar zitten. „Dat was totaal onverwacht”, zegt natuurkundige Alexandre Morin van de Universiteit Leiden. Met hogesnelheidscamera’s ontdekte Morin met zijn collega’s hoe dit verrassende gedrag ontstaat. De resultaten verschenen vorige week in Nature Physics.
Hun onderzoek gaat over ‘actieve materialen’. Daarmee worden groepen aangeduid die bestaan uit individuen die zichzelf kunnen voortbewegen en die gezamenlijk patronen vormen, bewegen of reageren op hun omgeving. Voorbeelden zijn scholen vissen of vogelzwermen. Die bewegen als een geheel, zonder leider. Morin: „Wij proberen te begrijpen hoe dit complexe, collectieve gedrag ontstaat door individuen die simpele regels volgen en enkel reageren op hun directe buren.”
In het experiment gebruikten de Leidse onderzoekers metalen bolletjes van een millimeter groot die ze tussen twee glazen platen plaatsten. De platen – van ongeveer 15 bij 15 centimeter – deden ook dienst als elektroden. „Het elektrische veld dat dat oplevert, zorgt dat de metalen bolletjes heel snel – zo’n honderd keer per seconde – heen en weer stuiteren tussen de platen”, zegt Morin. Zo krijgen de bolletjes energie, maar bewegen ze niet in het vlak tussen de platen.
Zitten er enkele bolletjes in deze opstelling dan gebeurt er vrijwel niets. Ze stuiteren enkel op hun plek. Bij honderden tot duizend bolletjes verandert dat. Ze beginnen dan wild te bewegen en krioelen door elkaar.
„Dat hadden we niet verwacht”, zegt Morin. „We dachten dat de bolletjes door het elektrische veld dezelfde lading zouden krijgen, elkaar zouden afstoten en zich daardoor zouden rangschikken in een kristalroosterstructuur.”
De oorzaak van het wilde gedrag bleken onderlinge botsingen. Omdat de bolletjes stuiteren in het elektrische veld hebben ze behoorlijk wat energie. Die energie geven ze bij botsingen aan elkaar door. „Hoe meer bolletjes er zijn, hoe meer botsingen. Dat resulteert in meer beweging en nog meer botsingen”, vertelt Morin. „Het is een kettingsreactie.” Dat is bijzonder. In de meeste actieve materialen bewegen deeltjes uit zichzelf, hier bewegen ze pas (in het vlak) als ze onderling botsen.
Maar hoe ontstaat de eerste botsing? Om dat te begrijpen filmden de onderzoekers de glazen ballenbak uitgebreid met een hogesnelheidscamera die een paar honderd opnames per seconde maakte. „We zagen dat de eerste botsing ontstond tussen twee naburige bolletjes die eerst samen, in fase, op en neer bewogen, maar na een tijdje uit fase raakten”, vertelt Morin. Als de ene bij de positief geladen elektrode aan de bovenkant was, zat de andere bij de negatief geladen elektroden aan de onderkant. Morin: „Dat zorgde voor een positief en negatief geladen bolletjes. Door de tegengestelde lading trokken ze elkaar aan en botsten.” Zo begon de kettingreactie.
Vervolgens probeerden de onderzoekers het gedrag te beïnvloeden. Dat lukte door het elektrische veld afwisselend aan en uit te schakelen. Hoe sneller ze dat deden, hoe langzamer de bolletjes bewogen en hoe minder ze botsten. Tot de bolletjes bijna tot stilstonden en de oorspronkelijk voorspelde kristalstructuur vormden.
„Door simpelweg aan stroomknop te draaien kunnen we beïnvloeden hoe twee naburige bolletjes op elkaar reageren en zo het hele systeem sturen”, zegt Morin. „We konden het materiaal zich laten gedragen als bewegelijke moleculen in een gas, minder bewegelijke moleculen in een vloeistof of een rigide kristal.”
Antoine Deblais, van de Universiteit van Amsterdam, is enthousiast over de Leidse bevindingen: „Dit is briljant, eersteklas onderzoek. Ze ontdekten niet alleen een nieuwe vorm van collectieve beweging, maar vonden ook een manier om deze te beïnvloeden. Het experiment is een prachtig voorbeeld van creativiteit en precisie.”
Morin en Deblais benadrukken dat dit fundamenteel onderzoek is. Maar, zegt Deblais, „het zou kunnen leiden tot nieuwe ‘slimme’ materialen met levensechte eigenschappen, zoals bewegen of vervormen zonder centrale aansturing. Die hebben bijvoorbeeld toepassingen in de zachte robotica.”
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC