Theoretisch natuurkundigen van de Stichting FOM en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben in samenwerking met collega’s van de University of Pennsylvania (VS) een bijzonder elastisch verschijnsel in vezelnetwerken ontdekt. Driedimensionale vezelnetwerken blijken amper mechanisch stabiel te zijn. Maar deze gebrekkige stabiliteit leidt wél tot bijzondere elastische eigenschappen van het netwerk. Levende cellen zouden dit elastische gedrag kunnen gebruiken om hun mechanische eigenschappen te reguleren. Daarbij biedt dit mechanisme nieuwe ontwerpmogelijkheden voor zachte materialen met bijzondere elastische eigenschappen.
Oorzaak van deze ongewone elasticiteit is een wankel mechanisch evenwicht in deze wanordelijke netwerken. Een vezelnetwerk bezit te weinig verbindingen om een voldoende rigide structuur te vormen. Het collectieve gedrag van de onderling verbonden vezels bepaalt de netwerkeigenschappen zoals ook het geval is bij kritische faseovergangen, bijvoorbeeld tussen water en waterdamp. De netwerkmechanica is hierdoor niet slechts de som der delen, maar een veel rijkere combinatie van zowel vezel- als netwerkeigenschappen. Dat resulteert in een ongebruikelijke elasticiteit.
Biologische vezelnetwerken
Levende cellen ontlenen hun mechanische eigenschappen voor een groot deel aan een wanordelijk vezelnetwerk: het cytoskelet. Door verschillende typen eiwitten in te zetten, bepaalt de cel de netwerkarchitectuur. Experimenten hebben aangetoond dat dit soort biologische vezelnetwerken bijzonder eigenschappen bezitten, die vermoedelijk van groot belang zijn voor hun biologische functie.
De netwerkmechanica is bijvoorbeeld zeer gevoelig voor het aantal netwerkverbindingen en de mechanische spanning in de vezels. Hoe deze elastische eigenschappen van het netwerk precies ontstaan, is echter nog steeds een groot raadsel. Zelfs in een kleine ruimte zoals een cel, bestaat het netwerk uit een verstrengelde wirwar van talloze vezels en verbindingen. Het was tot nu toe erg moeilijk om de mechanica van zo’n complexe driedimensionale structuur precies uit te rekenen, zelfs met krachtige computers.
Simpele truc geïnspireerd op kristallen
Om nieuw inzicht te krijgen in de bijzondere elastische eigenschappen van wanordelijke vezelnetwerken, moesten de onderzoekers het bestaande computermodel makkelijker te hanteren maken, zonder dat de essentie van het probleem verloren zou gaan. Geïnspireerd door modellen van kristallen, introduceerden zij een nieuw model waarbij zij het vezelnetwerk aanvankelijk voorstelden als een regelmatige kristalstructuur. Door vervolgens op willekeurige wijze verbindingen uit dit kristalachtige netwerk te verwijderen, realiseerden zij een wanordelijk systeem.
Simulatie van een vezelnetwerk dat vervormd wordt. De kleuren geven aan hoe deze vervorming ruimtelijk varieert, waarbij blauw een kleine variatie aangeeft en rood een grote variatie. Deze grote ruimtefluctuaties zijn het gevolg van het wankele mechanische evenwicht in het vezelnetwerk, dat hierdoor ongewone elastische eigenschappen krijgt. (afbeelding: FOM)
Dit model bleek een enorm succes. Niet alleen is het mogelijk met een computer de elastische eigenschappen van grote, driedimensionale netwerken eenvoudig en snel door te rekenen, ook formuleerden de onderzoekers een wiskundige beschrijving van de netwerkelasticiteit. De resultaten van dit model leidden uiteindelijk tot meer inzicht in het onderliggende mechanisme, dat de netwerkmechanica bepaalt. Dit inzicht kan een inspiratie zijn voor het ontwikkelen van nieuwe synthetische zachte materialen met ongewone elastische eigenschappen.
