In de natuurkunde wordt de alledaagse vervorming van materialen van oudsher begrepen vanuit een ander perspectief. Hierin wordt ervan uitgegaan dat als bijvoorbeeld een lepel wordt gebogen of een hoesje van een mobiele telefoon wordt gevormd, er tijdens het productieproces kleine sporadische atomaire herschikkingen plaatsvinden die uiteindelijk leiden tot de vormverandering van het materiaal. Ook bij zachte materialen, zoals crème en tandpasta, vinden vergelijkbare herschikkingen plaats van veel grotere deeltjes die zorgen voor de uiteindelijke vormverandering. Door het grote verschil in lengteschaal tussen de herschikkingen (op microscopische schaal) en de vervorming (op macroscopische schaal) was het tot nu toe niet helder hoe de microscopische herschikkingen leiden tot macroscopische vormverandering. Hierdoor konden wetenschappers niet komen tot een volledig begrip van vervormingsprocessen.

Deeltjes herschikken

Prof. dr. Peter Schall, hoogleraar Soft Condensed Matter Physics aan de UvA, en zijn collega’s brengen daar nu verandering. Met een nieuwe methode zijn de onderzoekers erin geslaagd de driedimensionale beweging van deeltjes in een modelsysteem vast te leggen. Zo konden ze de beweging van de individuele deeltjes accuraat volgen door de ruimte en de tijd, en deze beweging koppelen aan de vervormingskracht. De onderzoekers ontdekten dat de beweging sterk lijkt op een ‘lawine’, in de zin dat de deeltjes zich niet individueel herschikken, maar juist collectief naar een nieuwe positie bewegen. Bovendien bleken de statistische gegevens van de deeltjes, na het analyseren van de variaties in de toegepaste kracht, zeer vergelijkbaar met die van de seismische activiteit van aardbevingen.

Betere voorspellingen

‘Lawines zijn belangrijke fenomenen die niet alleen op besneeuwde bergen voorkomen, maar waarvan ook sprake is in een bredere context, zoals in de manier waarop bosbranden en epidemische ziekten zich verspreiden of bijvoorbeeld in de dynamiek van de aandelenbeurs’, zegt Peter Schall. Ze ontstaan in hoogst collectieve systemen die onderscheiden worden door hun kritische toestand waarin een kleine gebeurtenis een groot effect kan veroorzaken. De schoonheid van deze ontdekking is dat vervorming net als veel andere lawinefenomenen door identieke statistische distributies uniform beschreven kunnen worden’, vertelt Schall. ‘Onze nieuwe theorie overbrugt de kloof tussen microscopische herschikkingen en macroscopische en gaat op voor alles, van nanostaafjes tot stenen en andere alledaagse materialen. Dit unificerende raamwerk vermindert de complexiteit van het fenomeen en kan uiteindelijk leiden tot het beter voorspellen en ontwerpen van materiaaleigenschappen.’

Publicatiegegevens

D.V. Denisov, K.A. Lorincz, J. T. Uhl, K. A. Dahmen & P. Schall: ‘Universality of slip avalanches in flowing granular matter’ in: Nature Communications 7, 10641 (2016).