Als zebra’s, vogels, vissen of micro-organismen zich samenvoegen tot grote zwermen vormen ze een fascinerend bewegingspatroon. Dit toont verrassende overeenkomsten met het bewegingspatroon van deeltjes, die simpele fysische wetten volgen. Daarbij spelen drie principes een hoofdrol, die net zo simpel als algemeen geldend zijn: blijf steeds bij de groep, vermijdt botsingen (een plaats kan slechts door een deeltje worden ingenomen) en beweeg steeds in dezelfde richting als je buurman.
Dit is de kern van de voordracht van Igor Aronson bij de derde Lorenz Kramer herdenkingslezing in Bayreuth. De in 2005 overleden professor Kramer was een pionier op het gebied van niet-lineaire natuurkunde en was verbonden aan de Universiteit van Bayreuth. Biofysicus en materiaalonderzoeker professor Igor Aronson is verbonden aan het Argonne National Laboratory in DuPage County, 40 km zuidwest van Chicago. Hij sprak over het collectieve gedrag van zwermen, zwemmende slangen van magnetische deeltjes en hun toepassing als micropomp.
Niet-lineaire dynamica
Mensen apen na, worden door de buurman beïnvloed en volgen de trends in de mode of op de financiële markten. Dit op zwermen lijkende gedrag wekt ook de nieuwsgierigheid van de onderzoekende fysici op. Bij een nadere beschouwing ontdekten wetenschappers echter, dat elke zwermsoort of elk systeem aanvullende eigen regels volgt, met een eigen gevoel voor ordening in de natuur.
Deze elementaire principes staan in verschillende variaties achter veel geordende bewegingen in de natuur. Voorbeelden zijn de vorming van schaapjeswolken, van wervelingen en golven in rivieren maar ook van magmastromen in het inwendige van de aarde. De ordening in de natuur fascineert de natuurwetenschappers om veel redenen en is ook het thema van het onderzoek ‘Niet-lineaire dynamica’ aan de Universiteit in Bayreuth.
De ordening is in elk specifiek systeem enigszins anders uitgevoerd. Aronson verduidelijkte dit aan de hand van het voorbeeld van fascinerende en mooie spiraalvormen, die in heel verschillende systemen, zoals bij slijmpaddestoelen, bij chemische reacties of de golven van opwinding bij het hart, optreden en daarbij toch gelijksoortige wetmatigheden volgen.
Magnetische zwerm
Bij een ander experiment toonde Aronson het zwermgedrag van magnetische deeltjes. Hij toonde, hoe in water opgeloste microdeeltjes van nikkel op een magneetveld reageerden, waarbij het veld met een frequentie van 30 tot 100 Hz van richting veranderde. Zonder het magnetisch veld liggen de deeltjes ver uit elkaar, maar in het periodieke magneetveld ordenen ze zich tot een slangvormige zwerm.
Bij nauwkeurig onderzoek blijkt deze magnetische slang te bestaan uit veel kleine staafmagneetjes, die in het magneetveld aan elkaar kleven. Ook het zwermgedrag van deze magnetische slang lijkt fascinerend genoeg op die van micro-organismen, bijvoorbeeld door de manier waarop andere deeltjes worden opgejaagd. “Magnetische slangen kunnen in één seconde meer dan het vijfvoudige van hun eigen lengte afleggen. Meervoudig olympisch kampioen Michael Phelps zou jaloers zijn op deze zwemefficiency,” aldus Aronson.
Prof. Igor. S. Aronson (rechts) van het Argonne National Laboratory met Prof. Walter Zimmermann, organisator van de Lorenz Kramer herdenkingslezing. (foto: A. Sachs)
Aronson was met zijn werkgroep echter niet op zoek naar magnetische slangen. Ze wilden de fysische wetten van de wisselwerking van in water opgeloste magnetische deeltjes in het periodieke magneetveld onderzoeken. Maar ontdekkingen lopen zelden volgens vastgesteld plan. Ze zijn het product van systematische en nieuwsgierige onderzoekers. Dit verrassingseffect is een deel van de fascinatie voor onderzoek, die studenten en onderzoekers in laboratoria kunnen meebeleven en als ervaring in hun beroepspraktijk meenemen .
Elementaire principes
Met de slangvormige zwermen van magnetische deeltjes zijn nu elementaire principes van zwermgedrag systematisch te onderzoeken. Deze deeltjeszwermen zijn namelijk in het laboratorium controleerbaar, in tegenstelling tot vis-, vogel- of bacteriezwermen. In het laboratorium kan men ook langdurige experimenten uitvoeren. De zwermen hebben geen voer nodig en ze kunnen willekeurig lang in een periodiek magnetisch veld verblijven.
Indien men erin slaagt de magnetische slangen tijdens de zwembeweging vast te houden, werken ze als kleine micropompen op de vloeistof in de omgeving. Hoe deze eigenschappen van magnetische slagen in de biotechnologie zijn in te passen en hoe men uit geordende magnetische deeltjes in de toekomst nieuwe opslagmedia maakt, zal nog veel onderzoekers bezighouden.
