Natuurkundigen van Emory University hebben aangetoond hoe een systeem van levenloze deeltjes 'levensecht' kan worden door collectief heen en weer te schakelen tussen kristallijne en vloeibare toestanden, zelfs als de omgeving stabiel blijft.

Fysieke beoordelingsbrieven publiceerde onlangs de bevindingen, de eerste experimentele realisatie van een dergelijke dynamiek.

"We hebben misschien wel het eenvoudigste fysieke systeem ontdekt dat in de loop van de tijd constant van gedrag kan veranderen in een vaste omgeving, " zegt Justin Burton, Emory assistent-professor natuurkunde. "In feite, het systeem is zo eenvoudig dat we nooit hadden verwacht dat er zo'n complexe eigenschap uit zou voortkomen."

Veel levende systemen - van vuurvliegjes tot neuronen - veranderen gezamenlijk van gedrag, aan en dan uitzetten. De huidige krant, echter, betrof een niet-levend systeem:plastic deeltjes, klein als stofdeeltjes, die geen "aan" of "uit" schakelaars hebben.

"De individuele deeltjes kunnen niet veranderen tussen kristallijne en vloeibare toestanden, Burton zegt. "De omschakeling ontstaat wanneer er verzamelingen van deze deeltjes zijn - in feite, zo weinig als 40. Onze bevindingen suggereren dat het vermogen van een systeem om gedrag over elke tijdschaal te veranderen universeler is dan eerder werd gedacht."

Het Burton-lab bestudeert de kleine, plastic deeltjes als model voor complexere systemen. Ze kunnen de eigenschappen van echte fenomenen nabootsen, zoals het smelten van een vaste stof, en onthullen hoe een systeem verandert wanneer het wordt aangedreven door krachten.

De deeltjes worden gesuspendeerd in een vacuümkamer gevuld met een plasma-geïoniseerd argongas. Door de gasdruk in de kamer te veranderen, de lableden kunnen bestuderen hoe de deeltjes zich gedragen als ze bewegen tussen een opgewonden, vrij stromende toestand in een vastgelopen, stabiele positie.

De huidige ontdekking vond plaats nadat de afgestudeerde student Guram "Guga" Gogia van Emory op een shaker tikte en de deeltjes langzaam "zoutte" in de vacuümkamer gevuld met het plasma, het creëren van een enkele laag deeltjes die boven een geladen elektrode zweeft. "Ik was gewoon nieuwsgierig hoe de deeltjes zich in de loop van de tijd zouden gedragen als ik de parameters van de kamer op een lage gasdruk instelde, zodat ze vrij kunnen bewegen, "zegt Gogia. "Na een paar minuten kon ik met mijn blote oog zien dat ze zich vreemd gedroegen."

Van ergens tussen tientallen seconden tot minuten, de deeltjes zouden overschakelen van bewegen in lockstep, of een stijve structuur, om in een gesmolten gasachtige staat te zijn. Het was verrassend omdat de deeltjes niet alleen smolten en herkristalliseerden, maar heen en weer gingen tussen de twee toestanden.

"Stel je voor dat je een dienblad met ijs op kamertemperatuur op je aanrecht laat staan, ' zegt Gogia. 'Het zou je niet verbazen als het gesmolten is. Maar als je het ijs op het aanrecht hield, je zou geschokt zijn als het steeds weer in ijs zou veranderen en weer zou smelten."

Gogia voerde experimenten uit om het fenomeen te bevestigen en te kwantificeren. De bevindingen kunnen dienen als een eenvoudig model voor de studie van opkomende eigenschappen in niet-evenwichtssystemen.

"Overstappen is een alomtegenwoordig onderdeel van onze fysieke wereld, ' zegt Burton. 'Niets blijft lang in een stabiele toestand - van het klimaat op aarde tot de neuronen in een menselijk brein. Begrijpen hoe systemen schakelen is een fundamentele vraag in de natuurkunde. Ons model verwijdert de complexiteit van dit gedrag, het verstrekken van de minimaal benodigde ingrediënten. Dat geeft een basis, een startpunt, om meer complexe systemen te helpen begrijpen."