ENGINEERINGNET.BE - Veel systemen in de natuur organiseren zich spontaan.
Zwermen vogels stemmen hun vliegrichting op elkaar af, scholen vissen bewegen gezamenlijk en moleculen kunnen zich uitlijnen tot geordende structuren.
Ook draadachtige objecten, ofwel filamenten, vertonen dit gedrag. Bij een lage dichtheid wijzen ze willekeurig alle kanten op.
Als de dichtheid toeneemt, richten ze zich steeds vaker dezelfde kant op. Zo ontstaat de zogeheten nematische fase.
Deze overgang van wanorde naar orde is goed begrepen voor passieve systemen, waar de filamenten reageren op thermische fluctuaties.
Maar de meeste biologische systemen zijn niet passief: zij verbruiken continu energie om te bewegen. Daardoor behoren ze tot de zogeheten actieve materie.
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam laten nu zien dat beweging juist de overgang naar een geordende toestand kan afremmen.
"We denken vaak dat beweging systemen helpt nieuwe configuraties te verkennen. Wat ons verraste, is dat beweging een systeem ervan kan weerhouden zich in een geordende toestand te vestigen", zegt promovendus Twan Hooijschuur.
Met grootschalige computersimulaties onderzochten de onderzoekers actieve, semi-flexibele polymeren: filamenten die langs hun eigen lengte bewegen en tegelijk kunnen buigen.
In passieve systemen ontstaat de nematische fase zodra een kritische dichtheid is bereikt. Bij actieve filamenten verschuift die overgang naar hogere dichtheden en verloopt die veel geleidelijker.
Bij sterke activiteit ontstaat zelfs geen volledig geordende toestand meer. De polymeren blijven voortdurend buigen, draaien en fluctueren, waardoor geordende en ongeordende gebieden naast elkaar blijven bestaan.
De continue beweging verstoort de uitlijning over grotere afstanden, ook al kunnen lokaal wel geordende structuren ontstaan.
Volgens de onderzoekers laat dit onderzoek zien dat activiteit niet alleen beweging veroorzaakt, maar ook bepaalt hoe levende systemen zich organiseren.
Dat levert nieuwe inzichten op in actieve materie en kan bijdragen aan de ontwikkeling van adaptieve materialen die, zonder van samenstelling te veranderen, kunnen schakelen tussen geordende en ongeordende structuren.
Onderzoeksleider Sara Jabbari-Farouji: "De natuur opereert vaak ver van evenwicht. Begrijpen hoe activiteit de fundamentele regels van zelforganisatie verandert, is essentieel als we materialen willen bouwen die zich meer gedragen als levende systemen."
