Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
Je gebruikt een niet-ondersteunde browser. Deze site kan er anders uitzien dan je verwacht.

Compactie van draden beter begrepen

6 juni 2017

Een internationaal team van natuurkundigen, onder wie Daniel Bonn en Mehdi Habibi van het UvA-Institute of Physics, heeft aangetoond hoe het ingewikkelde probleem van dichte pakking van draden beter begrepen kan worden. Met behulp van een statistisch model lukte het de onderzoekers om een aantal verrassende experimentele resultaten te beschrijven, zoals het feit dat voor dunnere draden de uiteindelijke toestand een lagere in plaats van een hogere dichtheid heeft dan voor dikkere draden.
A compacted wire
Een opgerolde draad. Afbeelding: D. Bonn et al.

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.

De compactie van draden
(a) De container waarin de draden ingebracht werden. (b) Verschillende eindtoestanden. Afbeelding: D. Bonn et al.

Efficiëntie

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.

Model

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.

Referentie

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.

Open access-versie van het artikel.