6 juni 2017
De hoogst haalbare pakking, of 'compactie', van objecten met verschillende vormen, fascineert wetenschappers al sinds Kepler's beroemde vermoeden over de gunstigste opeenstapeling van kanonskogels op oorlogsschepen. In een artikel dat deze week werd gepubliceerd in Nature Communications presenteren Bonn, Habibi en hun collega's experimenteel en theoretisch werk aan de optimale pakking van quasi-1-dimensionale objecten: draden, een modelsysteem voor bijvoorbeeld de compactie van DNA-polymeren in onze cellen. In het experimentele deel brachten de onderzoekers plastic draden van verschillende elasticiteit en wrijving in in een bolvormige container - zie afbeelding 1a. De vrijheid van de draden om te roteren terwijl ze ingebracht worden (de torsie) kon ook gevarieerd worden. Afbeelding 1b toont een aantal van de uiteindelijke opeengepakte toestanden, variëred van heel geordend tot heel ongeordend.
Om de efficiëntie van de pakking te bepalen, maten de onderzoekers de dichtheid van de eindtoestanden. Geordende toestanden, zoals de meest linker toestand in afbeelding 1b, hebben een hogere pakkingsdichtheid dan ongeordende toestanden zoals de meest rechter toestand. Eén opvallend resultaat van de experimenten was dat dunnere draden, in tegenstelling tot wat men zou verwachten, een minder efficiënt compactie-proces hebben dan dikkere draden.
Om deze experimentele resultaten beter te begrijpen pasten de natuurkundigen een statistisch model toe, een zogeheten 'self avoiding random walk model', om het compactie-proces te beschrijven. Het voordeel van dit model is dat het veel minder rekenkracht van computers vergt dan andere, voorheen gebruikte modellen. Het model bleek de efficiënties die in de experimenten gemeten werden goed te reproduceren.
Dit resultaat is een belangrijke stap voorwaarts naar een beter begrip van de compactie van eendimensionale voorwerpen. Het heeft niet alleen nuttige industriële toepassingen - waar men vaak geïnteresseerd is in het omgekeerde proces, het uitvouwen en afrollen van draden - maar ook in de biologie en medische wetenschap; bijvoorbeeld voor het begrip van de manier waarop DNA-moleculen opgevouwen zitten in celkernen en eiwitmantels van virussen.
M. Reza Shaebani, Javad Najafi, Ali Farnudi, Daniel Bonn and Mehdi Habibi, Compaction of quasi-one-dimensional elastoplastic materials. Nature Communications 8, 15568 (2017), DOI: 10.1038/ncomms15568.