Het belang van vorm bij zwermende staafjes


Martin van Hecke doet onderzoek naar de ma-
nier waarop zandkorrels, schuimbellen en andere deeltjes zich spontaan organiseren wanneer zij in beweging worden gebracht.
Rammelende staafjes vertonen, net als vogels en vissen, spontaan zwermgedrag. Wat precies de rol is van de vorm van de staafjes, is nog onbekend. Maar dát hun vorm ertoe doet, staat wel vast. Dat betoogt fysicus Martin van Hecke deze week in Science.

Organisatie
Van Hecke houdt zich al jaren bezig met het onderzoeken van grote partijen zandkorrels, schuimbellen en andere deeltjes. Hoe gedragen die zich collectief als je ze schudt of laat rondtollen? 'We begrijpen nog erg weinig van dit soort deeltjessystemen,' vertelt Van Hecke. 'We weten wel veel over de mechanische eigenschappen van verzamelingen deeltjes, bijvoorbeeld hoeveel kracht je moet uitoefenen om ze collectief in beweging te krijgen. Maar de manier waarop de deeltjes zich vervolgens spontaan organiseren, is grotendeels nog een raadsel.'

Bolletjes
Natuurkundigen concentreren zich traditioneel voornamelijk op bolvormige deeltjes. Zo ook Van Hecke, 'omwille van de eenvoud'. In zijn Science-artikel geeft hij echter  blijk van een bredere blik, door experimenten aan te halen waarin onderzoekers het groepsgedrag van niet-bolvormige deeltjes onder de loep hebben genomen.


Met behulp van computersimulaties onderzoeken Van Hecke en zijn collega's het zwermgedrag van verzamelingen deeltjes.

Staafjes
Illustratief is een experiment van een groep Indiaas-Amerikaanse onderzoekers, dat ook deze week in Science belicht wordt. Deze onderzoekers keken wat er gebeurde met kleine stukjes koperdraad in een bakje wanneer zij die flink schudden. 'De stukjes koperdraad bleken spontaan zwermen te vormen,' vertelt Van Hecke. 'Maar dit effect trad alleen op nadat de stukjes draad aan de uiteinden waren afgeslepen, zodat er sigaarvormige staafjes ontstonden. Wanneer de uiteinden niet werden afgeslepen, vond geen zwermvorming plaats. Of deeltjes zich in zwermen groeperen of niet, is dus op subtiele wijze afhankelijk van de vorm van de deeltjes. Waarom weten we nog niet. Dat maakt dit soort onderzoek zo interessant.'

Statistiek
Het experiment met de stukjes koperdraad liet nog een andere verrassende uitkomst zien: een van de pijlers van de klassieke statistiek doet niet langer opgeld als deeltjes gaan zwermen. Van Hecke: 'Het schatten van de dichtheid van deeltjes in een ruimte, lukt normaal gesproken beter als je een groter deel van die ruimte in je schatting betrekt. Zo kun je de concentratie van witte bloedcellen in het bloed nauwkeuriger schatten in een groter bloedmonster. Dit principe blijkt gek genoeg niet te gelden voor zwermende groepen deeltjes. Een grotere steekproef leidt dan niet tot een betere schatting. Voor dit tegenintuïtieve verschijnsel zijn wel redenen te bedenken, maar de precieze oorzaak is nog niet duidelijk. Ook in dit opzicht plaatsen zwermende staafjes de wetenschap dus voor vraagtekens.'

Zwermen en kolken
Van Hecke is enthousiast over het staafjesexperiment van zijn collega's, omdat hij opvallende parallellen ziet met zijn eigen onderzoek naar bolvormige deeltjes. In zijn artikel pleit hij dan ook voor kruisbestuiving tussen beide onderzoeksgebieden. 'In ons eigen onderzoek naar verzamelingen van bolvormige deeltjes zien we ook kolkende patronen, zonder die te begrijpen. Het in samenhang bestuderen van de organisatie en de mechanische eigenschappen van zowel ronde als niet-ronde deeltjes ligt dus voor de hand. Liggen er misschien identieke mechanismen ten grondslag aan zwermende staafjes en kolkende bolletjes? Dat is een fascinerende vraag die roept om meer onderzoek.'


Van Hecke: 'We hebben rijstkorrels laten rondtollen en zagen dat er in het midden spontaan een bergje rijst ontstond. Het is nog gissen naar het waarom.' 

Rijstkorrels
Geïnspireerd door het staafjesexperiment, is Van Hecke zelf aan de slag gegaan met allerlei verschillende deeltjes; van rijstkorrels tot vermicellistaafjes. Hij heeft opvallende zwermverschijnselen geobserveerd, die hij nog moeilijk kan verklaren. 'We hebben onlangs rijstkorrels laten rondtollen en zagen dat er in het midden spontaan een bergje rijst ontstond. Ik vind dat waanzinnig boeiend om te zien. Er zal nog heel wat onderzoek moeten worden gedaan om beter grip te krijgen op dit soort verschijnselen. Dat de vorm van de deeltjes er toe doet, is wel duidelijk. Maar hoe en wat, dat zullen toekomstige experimenten moeten uitwijzen. '

Industriële toepassingen
Het onderzoek van Van Hecke dient niet alleen een fundamenteel wetenschappelijk nut, maar is ook van belang voor industriële toepassingen. 'Onderzoek naar zwermende en tollende deeltjes laat zien hoe stoffen van een vloeibare in een niet-vloeibare fase kunnen overgaan,' vertelt van Hecke. 'Kennis van die overgang is belangrijk als je bijvoorbeeld een makkelijk smeerbare margarine of een goede boorvloeistof wilt produceren.'

Van Hecke, M. (2007). Shape matters. Science, 317, 49-50.

(5 juli 2007/Tristan Lavender)