Wetenschappers en ingenieurs zijn gefascineerd door zelfvouwende constructies. Stel je de mogelijkheden voor:hartstents die zich op de juiste plek ontvouwen of pop-up tenten die met een druk op de knop in elkaar worden gezet, evenals nanoschaalversies voor kleine machines. Maar soms komen deze structuren vast te zitten tijdens het vouwproces, en wetenschappers weten niet waarom.

Een nieuw papier binnen Fysieke beoordeling X door drie wetenschappers van de Universiteit van Chicago een wiskundige verklaring geeft - zulke knelpunten zijn gewoon intrinsiek.

"Mensen dachten dat je er omheen kon bouwen, maar het lijkt er echt op dat er fundamentele limieten zijn, " zei afstudeerder Menachem Stern, de eerste auteur op het papier.

Constructies die zijn ontworpen om zelf te assembleren, beginnen vaak correct, maar dan verwatert het vouwen, eilanden met goed gevouwen delen achterlatend. Om te onderzoeken waarom, het team creëerde een reeks wiskundige modellen.

Bij het ontwerpen van constructies die zichzelf kunnen vouwen, of het nu gaat om papieren origami of kleine nanomachines, wetenschappers beginnen met het voorvouwen van de vouwen die ze nodig hebben. Maar dit creëert ook een reeks onzichtbare "afleidende" takken. Hoe meer voorvouwen er worden toegevoegd, hoe meer afleidertakken zich vormen, en de origami loopt steeds vaker vast.

"Hoe slim het ontwerp ook is, er zijn altijd veel meer manieren om verkeerd te folden en vast te lopen dan om correct te folden, " zei Arvind Murugan, assistent-professor in het James Franck Institute en co-auteur van het papier. "We realiseerden ons dat dit probleem van het hebben van veel meer manieren om iets verkeerd dan correct te doen, opduikt in veel andere gebieden van wetenschap en wiskunde, inclusief het ontwerp van eiwitstructuren in de biologie en het ontwerp van Sudoku-puzzels."

Met behulp van deze verbindingen, er zijn manieren om het probleem te verminderen, zelfs als het intrinsiek is, zei Stern, Murugan en Matthew Pinson, de derde auteur van de studie.

Hun bevindingen omvatten een reeks voorspellingen voor waar scharnieren moeten worden geplaatst bij het ontwerpen van vouwen, evenals voor het identificeren van probleemgebieden en hoe deze te verhelpen - wat van toepassing kan zijn op alles, van papieren origami tot micromachines tot zelf-assemblerende tenten.