Vuurvliegjes, hart cellen, klokken, en elektriciteitsnetten doen het allemaal - ze kunnen spontaan synchroniseren, gelijktijdig signalen uitzenden. Eeuwenlang, wetenschappers stonden perplex door dit zelforganiserende gedrag, het bedenken van theorieën en experimenten die de wetenschap van sync vormen. Maar ondanks vooruitgang op het gebied, mysteries bestaan ​​​​nog steeds, met name hoe netwerken van volledig identieke elementen uit de pas kunnen lopen.

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie in het 8 maart nummer van het tijdschrift Wetenschap , Caltech-onderzoekers hebben experimenteel aangetoond hoe een eenvoudig netwerk van identieke gesynchroniseerde nanomachines kan leiden tot niet-gesynchroniseerde, complexe staten. Stel je een rij Rockette-dansers voor:als ze allemaal tegelijk trappen, ze zijn synchroon. Een van de complexe toestanden die uit het eenvoudige netwerk wordt waargenomen, zou verwant zijn aan de Rockette-dansers die hun benen "uit fase" met elkaar schoppen, waar elke andere danser een been omhoog schopt, terwijl de dansers ertussen net een trap af hebben.

De bevindingen tonen experimenteel aan dat zelfs eenvoudige netwerken kunnen leiden tot complexiteit, en deze kennis, beurtelings, kan uiteindelijk leiden tot nieuwe instrumenten om die netwerken te controleren. Bijvoorbeeld, door beter te begrijpen hoe hartcellen of elektriciteitsnetten complexiteit vertonen in schijnbaar uniforme netwerken, onderzoekers kunnen mogelijk nieuwe tools ontwikkelen om die netwerken weer in het ritme te krijgen.

"We willen leren hoe we gewoon kunnen kietelen, of zachtjes duwen, een systeem in de goede richting om het terug in een gesynchroniseerde staat te zetten, " zegt Michael L. Roukes, de Frank J. Roshek hoogleraar natuurkunde, Toegepaste fysica, en Bio-engineering bij Caltech, en hoofdonderzoeker van de nieuwe Wetenschap studie. "Dit zou misschien een vorm van nieuwe, minder harde defibrillatoren, bijvoorbeeld, om het hart weer in het ritme te brengen."

Gesynchroniseerde oscillaties werden voor het eerst opgemerkt in de 17e eeuw, toen de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens, bekend om de ontdekking van de Saturnusmaan Titan, merkte op dat twee slingerklokken die aan een gemeenschappelijke steun hingen uiteindelijk samen zouden tikken. Door de eeuwen heen, wiskundigen en andere wetenschappers hebben verschillende manieren bedacht om het vreemde fenomeen te verklaren, ook gezien in hart- en hersencellen, vuurvliegjes, wolken van koude atomen, de circadiane ritmes van dieren, en vele andere systemen.

In essentie, deze netwerken bestaan ​​uit twee of meer oscillatoren (de knooppunten van het netwerk), die zelf kunnen aanvinken, herhaalde signalen uitzenden. De knooppunten moeten ook op de een of andere manier met elkaar verbonden zijn (via de netwerkranden), zodat ze kunnen communiceren en berichten kunnen sturen over hun verschillende toestanden.

Maar sinds het begin van de jaren 2000 wordt ook waargenomen dat deze netwerken, zelfs wanneer deze uit identieke oscillatoren bestaat, kan spontaan uit de pas lopen en evolueren naar complexe patronen. Om beter te begrijpen wat er aan de hand is, Roukes en collega's begonnen netwerken van oscillerende nanomechanische apparaten te ontwikkelen. Ze begonnen met het verbinden van twee, en nu, in de nieuwe studie, hebben een onderling verbonden systeem van acht ontwikkeld.

Tot verbazing van het team het achtknopensysteem evolueerde spontaan naar verschillende exotische, complexe staten. "Dit is de eerste experimentele demonstratie die deze vele verschillende, complexe toestanden kunnen voorkomen in hetzelfde eenvoudige systeem, " zegt co-auteur James Crutchfield, een gastdocent natuurkunde aan Caltech en een professor in de natuurkunde aan UC Davis.

Om terug te keren naar de Rockettes-metafoor:een ander voorbeeld van een van deze complexe toestanden zou zijn als elke andere danser een been omhoog zou trappen, terwijl de dansers tussendoor iets heel anders deden, zoals met hun hoed zwaaien. En de voorbeelden worden nog genuanceerder dan dit; met paren dansers die dezelfde bewegingen doen tussen paren van andere dansen die iets anders doen.

"Het verbijsterende kenmerk van deze specifieke toestanden is dat de Rockettes in onze metafoor alleen hun naaste buur kunnen zien, toch slagen om te coördineren met de buurman van hun buurman, " zegt hoofdauteur Matthew Matheny, een onderzoekswetenschapper bij Caltech en lid van het Kavli Nanoscience Institute.

"We wisten niet wat we zouden zien, ", zegt Matheny. "Maar wat deze experimenten ons vertellen, is dat je complexiteit uit een heel eenvoudig systeem kunt halen. Dit was iets waar eerder naar werd gesuggereerd, maar tot nu toe niet experimenteel werd aangetoond."

"Deze exotische toestanden die voortkomen uit een eenvoudig systeem zijn wat we opkomende, " zegt Roukes. "Het geheel is meer dan de som der delen."

De onderzoekers hopen door te gaan met het bouwen van steeds complexere netwerken en kijken wat er gebeurt als er meer dan acht knooppunten zijn aangesloten. Ze zeggen dat hoe meer ze kunnen begrijpen over hoe de netwerken in de loop van de tijd evolueren, hoe meer ze ze nauwkeurig kunnen controleren op nuttige manieren. En uiteindelijk kunnen ze misschien zelfs toepassen wat ze leren modelleren en het menselijk brein beter begrijpen - een van de meest complexe netwerken die we kennen, met niet slechts acht knooppunten, maar 200 miljard neuronen die met elkaar zijn verbonden, meestal door duizenden synaptische randen.

"Tientallen jaren na de eerste theorieën over de wetenschap van sync, en we beginnen nu eindelijk te begrijpen wat er aan de hand is, "zegt Roukes. "Het gaat nog een hele tijd duren voordat we het ongelooflijk complexe netwerk van onze hersenen begrijpen."

De nieuwe Wetenschap studie is getiteld, "Exotische staten in een eenvoudig netwerk van nano-elektromechanische oscillatoren."