Als je een emmer waterballonnen neemt en tegen een ervan duwt, de naburige ballonnen zullen ook reageren. Dit is een opgeschaald voorbeeld van hoe verzamelingen cellen en andere vervormbare deeltjespakkingen reageren op krachten. Het modelleren van dit fenomeen met computersimulaties kan licht werpen op vragen over hoe kankercellen gezond weefsel binnendringen of hoe bladeren en bloemen groeien. Maar het gedrag van celaggregaten is uiterst complex, en het volledig vastleggen van hun structuur en dynamiek is lastig gebleken.

Een team van onderzoekers in het lab van Corey O'Hern, hoogleraar werktuigbouwkunde &materiaalkunde, natuurkunde, en toegepaste natuurkunde, heeft nieuwe computersimulaties van vervormbare deeltjes ontwikkeld die hun collectieve gedrag nauwkeuriger modelleren. De studie werd geleid door John Treado, een doctoraat student, en postdoctoraal onderzoeker Dong Wang, beide in het O'Hern-lab. Het is onlangs gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaal .

Cellen, bubbels, druppels, en andere kleine deeltjes waaruit zachte vaste stoffen bestaan ​​- waaronder alles van mayonaise en scheerschuim tot cellen en weefsels - zijn allemaal zeer vervormbaar. Er is een aanzienlijke variabiliteit in hoe ze van vorm veranderen, en hoe ze reageren op krachten.

"Er is een sterk verband tussen de reactie van de verzameling deeltjes op uitgeoefende krachten, deeltjesvorm, en vervormbaarheid, Treado zei. "De vervormbaarheid van deeltjes bepaalt hoe ze gaan bewegen, omdat ze stevig worden samengedrukt met veel buren die ze aan alle kanten platdrukken."

Conventionele computermodellen stellen zachte deeltjes doorgaans voor als bollen. Als de bollen tegen elkaar drukken, de modellen geven de vervormingen van de bollen weer door ze te laten overlappen. Deze aanpak werkt tot op zekere hoogte, maar cruciale informatie over de deeltjesvormen en interacties gaat verloren of wordt verkeerd voorgesteld.

Het O'Hern-team, Hoewel, een computermodel ontwikkeld dat de deeltjes kan afstemmen op floppy, met de mogelijkheid om gemakkelijk van vorm te veranderen, om volledig rigide te zijn. Dit model behandelt elk deeltje als een ring van verbonden kleine bollen. In de simulatie, krachten worden uitgeoefend op de bolvormige kralen, en het model houdt bij hoe de verbonden kralen van positie en oriëntatie veranderen.

De onderzoekers ontdekten dat het toestaan ​​van collectieve vormveranderingen materiële reacties opleverde die ze niet zouden hebben waargenomen met vaste bolvormige vormen van de deeltjes. De resultaten onderstrepen het belang van het opnemen van vormvariabiliteit in modellen van weefsels, schuimen, en andere zachte vaste stoffen samengesteld uit vervormbare deeltjes.

"We moeten het model nu uitbreiden naar drie dimensies, die de echte wereld beter nabootst, Wang zei. "We kunnen het model van vervormbare deeltjes ook toepassen op actieve biologische systemen, die zwermen kunnen vormen, scholen, en kudden."

Treado en Wang gebruiken dit nieuwe computermodel momenteel ook om te bestuderen hoe tumorcellen vetweefsel binnendringen bij borstkanker. Bij de meeste kankers de tumorcellen kunnen van vorm veranderen om door dicht weefsel te kruipen, bloedvaten bereiken, en verspreid naar andere sites.

"We proberen nu de fysieke grenzen van de vervormbaarheid van tumorcellen te bepalen, en de krachten die ze moeten uitoefenen om door een dicht weefsel te duwen, " Zei Treado. Hun werk kan leiden tot verbeteringen in het vermogen om te voorspellen of kankers zullen uitzaaien of niet.