Rammelende staafjes spontaan zwermgedrag. Wat precies
de rol is van de vorm van de staafjes is, is nog onbekend. Maar dát hun vorm
ertoe doet, staat wel vast. Dat betoogde fysicus Martin van Hecke van
Kamerlingh Onnes laboratorium van de Universiteit Leiden onlangs in
Science.
Van Hecke houdt zich al jaren bezig met het onderzoeken van grote partijen zandkorrels, schuimbellen en andere deeltjes. Hoe gedragen die zich collectief als je ze schudt of laat rondtollen? Het onderzoek van Van Hecke dient niet alleen een fundamenteel wetenschappelijk nut, maar is ook van belang voor industriële toepassingen. ‘Onderzoek naar zwermende en tollende deeltjes laat zien hoe stoffen van een vloeibare in een niet-vloeibare fase kunnen overgaan,’ vertelt van Hecke. ‘Kennis van die overgang is belangrijk als je bijvoorbeeld een makkelijk smeerbare margarine of een goede boorvloeistof wilt produceren.’
Natuurkundigen concentreren zich traditioneel voornamelijk op bolvormige deeltjes. Zo ook Van Hecke, ‘omwille van de eenvoud’. In zijn Science-artikel geeft hij echter blijk van een bredere blik, door experimenten aan te halen waarin onderzoekers het groepsgedrag van niet-bolvormige deeltjes onder de loep hebben genomen. Illustratief is een experiment van een groep Indiaas-Amerikaanse onderzoekers, dat ook in Science belicht werd. Deze onderzoekers keken wat er gebeurde met kleine stukjes koperdraad in een bakje wanneer zij die flink schudden.
‘De stukjes koperdraad bleken spontaan zwermen te vormen,’ vertelt Van Hecke. ‘Maar dit effect trad alleen op nadat de stukjes draad aan de uiteinden waren afgeslepen, zodat er sigaarvormige staafjes ontstonden. Wanneer de uiteinden niet werden afgeslepen, vond geen zwermvorming plaats. Of deeltjes zich in zwermen groeperen of niet, is dus op subtiele wijze afhankelijk van de vorm van de deeltjes. Waarom weten we nog niet. Dat maakt dit soort onderzoek zo interessant.’
Het experiment met de stukjes koperdraad liet nog een andere verrassende uitkomst zien: een van de pijlers van de klassieke statistiek doet niet langer opgeld als deeltjes gaan zwermen. Van Hecke: ‘Het schatten van de dichtheid van deeltjes in een ruimte, lukt normaal gesproken beter als je een groter deel van die ruimte in je schatting betrekt. Dit principe blijkt gek genoeg niet te gelden voor zwermende groepen deeltjes.
Een grotere steekproef leidt dan niet tot een betere schatting. Voor dit tegenintuïtieve verschijnsel zijn wel redenen te bedenken, maar de precieze oorzaak is nog niet duidelijk. Ook in dit opzicht plaatsen zwermende staafjes de wetenschap dus voor vraagtekens.’ (bron: Universiteit Leiden).