Een elegant eenvoudig experiment met zwevende deeltjes die zichzelf assembleren als reactie op geluidsgolven, heeft een nieuw raamwerk opgeleverd voor het bestuderen van hoe schijnbaar levensecht gedrag ontstaat als reactie op externe krachten.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben aangetoond hoe deeltjes, drijvend op een glycerine-wateroplossing, synchroniseren in reactie op akoestische golven die uit een computerluidspreker worden geblazen.

De studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , zou kunnen helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over energiedissipatie en hoe het levende en niet-levende systemen in staat stelt zich aan te passen aan hun omgeving wanneer ze uit thermodynamisch evenwicht zijn.

"Dynamische zelfassemblage onder niet-evenwicht is niet alleen belangrijk in de natuurkunde, maar ook in onze leefwereld, " zei Xiang Zhang, corresponderende auteur van het artikel en een senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab met een gezamenlijke aanstelling bij UC Berkeley. "Echter, de onderliggende principes die hieraan ten grondslag liggen, worden slechts gedeeltelijk begrepen. Dit werk biedt een eenvoudig maar elegant platform om dergelijke verschijnselen te bestuderen en te begrijpen."

Om sommige natuurkundigen het te horen beschrijven, deze staat van niet-evenwicht, gekenmerkt door het vermogen om voortdurend te veranderen en te evolueren, is de essentie van het leven. Het is van toepassing op biologische systemen, van cellen tot ecosystemen, evenals voor bepaalde niet-biologische systemen, zoals weer- of klimaatpatronen. Door niet-evenwichtssystemen te bestuderen, komen theoretici een beetje dichter bij het begrijpen hoe leven - met name intelligent leven - ontstaat.

Echter, het is ingewikkeld en moeilijk te bestuderen omdat niet-evenwichtssystemen open systemen zijn, zei Zhang. Hij merkte op dat natuurkundigen graag dingen bestuderen die stabiel zijn en in gesloten systemen.

"We laten zien dat individuele 'domme' deeltjes zichzelf ver van evenwicht kunnen organiseren door energie te dissiperen en tevoorschijn komen met een collectieve eigenschap die zich dynamisch aanpast aan en een afspiegeling is van hun omgeving, " zei co-hoofdauteur Chad Ropp, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Zhang. "In dit geval, de deeltjes volgden de 'beat' van een geluidsgolf gegenereerd door een computerluidspreker."

Opmerkelijk, nadat de onderzoekers het deeltjesfeest opzettelijk hadden verbroken, de stukken zouden weer in elkaar worden gezet, het vermogen tot zelfgenezing te tonen.

Ropp merkte op dat dit werk uiteindelijk zou kunnen leiden tot een breed scala aan "slimme" toepassingen, zoals adaptieve camouflage die reageert op geluids- en lichtgolven, of onbewerkte materialen waarvan de eigenschappen op aanvraag worden geschreven door extern gestuurde aandrijvingen.

Terwijl eerdere studies hebben aangetoond dat deeltjes in staat zijn zichzelf te assembleren als reactie op een externe kracht, dit artikel presenteert een algemeen kader dat onderzoekers kunnen gebruiken om de mechanismen van aanpassing in niet-evenwichtssystemen te bestuderen.

"Het onderscheid in ons werk is dat we kunnen voorspellen wat er gebeurt - hoe de deeltjes zich zullen gedragen - wat onverwacht is, " zei een andere co-hoofdauteur Nicolas Bachelard, die ook een postdoctoraal onderzoeker is in de groep van Zhang.

Aangezien de geluidsgolven reisden met een frequentie van 4 kilohertz, de verstrooiende deeltjes bewogen met ongeveer 1 centimeter per minuut mee. Binnen 10 minuten, het collectieve patroon van de deeltjes ontstond, waar de afstand tussen de deeltjes verrassend niet-uniform was. De onderzoekers ontdekten dat de zelf-geassembleerde deeltjes een fononische bandgap vertoonden - een frequentiebereik waarbinnen akoestische golven niet kunnen passeren - waarvan de rand onlosmakelijk met elkaar verbonden was, of "tot slaaf gemaakt, " op de 4 kHz-ingang.

"Dit is een kenmerk dat niet aanwezig was bij de individuele deeltjes, "zei Bachelard. "Het verscheen pas toen de deeltjes zich collectief organiseerden, daarom noemen we dit een opkomende eigenschap van onze structuur onder niet-evenwichtsomstandigheden."

Het experimentele ontwerp had nauwelijks eenvoudiger kunnen zijn. Voor de golfgeleider de onderzoekers gebruikten een 2 meter lange acrylbuis die een 5 millimeter diepe poel van een glycerine-wateroplossing bevatte. De deeltjes waren gemaakt van rietjes die op een plat stuk plastic dreven, en de geluidsbron kwam van kant-en-klare computerluidsprekers die onderzoekers via een plastic trechter in de buis hebben geleid. Het meten van de geluidsgolven bleek het meest technische onderdeel van het experiment.

"Dit is iets wat je zelf zou kunnen doen in je garage, " zei Ropp. "Het was een spotgoedkoop experiment met onderdelen die verkrijgbaar zijn bij je bouwmarkt op de hoek. Op een bepaald moment, we hadden grotere rietjes nodig, dus ik ging naar buiten en kocht wat boba-thee. De installatie was uiterst eenvoudig, maar het toonde de fysica prachtig."

Het experiment was gericht op akoestische golven omdat geluidsisolatie gemakkelijker te realiseren was, maar de principes die ten grondslag liggen aan het gedrag dat ze observeerden, zouden van toepassing zijn op elk golfsysteem, aldus de onderzoekers.

Dit fundamentele onderzoek zou de basis kunnen vormen voor de ontwikkeling van intelligente netwerken die eenvoudige niet-algoritmische berekeningen uitvoeren, met een toekomst in de richting van systemen die bewuste besluitvorming uitvoeren, aldus de onderzoekers.

"Ik kan parallellen bedenken met kunstmatige hersenen, met secties die reageren op 'hersengolven' met verschillende frequenties die kneedbaar en herconfigureerbaar zijn, ' zei Roep.