Vreemd gedrag van biomaterialen onder spanning beter begrepen

Als je aan de uiteinden van een piano- of gitaarsnaar draait, wordt de snaar langer. De meeste materialen gedragen zich op deze manier. Oefen een torsiekracht uit, en ze hebben de neiging om uit te rekken. Sommige materialen gedragen zich echter precies tegenovergesteld: ze krimpen juist als er torsiekrachten worden uitgeoefend. Door onderzoek in de groepen van Bonn, Koenderink en MacKintosh aan de Universiteit van Amsterdam, AMOLF en de Vrije Universiteit in Amsterdam, wordt nu begrepen waarom.

Nieuw model
Een voorbeeld van een materiaal dat dit onverwachte gedrag vertoont, is een polymeergel dat bestaat uit het eiwit fibrine, een eiwit dat een rol speelt in het stollen van bloed als een wond geneest. In een artikel dat deze week in Physics Review Letters is gepubliceerd, beschrijven Bonn, Koenderink, MacKintosh en hun collega’s hun experimenten, en stellen ze een nieuw theoretisch model voor dat het gedrag van dergelijke materialen verklaart.

Een spons uitwringen
De experimenten laten zien dat gels zoals de fibrine-gel krimpen als er een schuifspanning op wordt uitgeoefend. De begeleidende theorie toont aan dat het netwerk van elastische vezels kan krimpen omdat er, als er torsie- of schuifkrachten op het systeem worden uitgeoefend, op een gegeven moment vloeistof uit het netwerk geperst wordt. Dit effect kan worden vergeleken met een spons vol water die uitgewrongen wordt. Het water wordt uit de spons geperst, en het midden van de spons krimpt.

Experimenten
De uitkomsten van het voorgestelde model zijn getest bij een aantal verschillende materialen. Voor materialen met verschillende celgroottes kwamen de tijdschalen waarop het inkrimp-effect plaatsvond goed overeen met de voorspellingen van het model. Het nieuwe begrip van het vreemde gedrag van bepaalde gels helpt om het stollen van bloed beter te begrijpen, en kan bovendien gebruikt worden in het ontwerp van mechanische systemen zoals schokdempers.

Meer informatie
Voor de APS Physics-website schreef David Lindley een korte samenvatting van het artikel: Focus: Why Some Gels Shrink under Stress.

Referentie
Porosity Governs Normal Stresses in Polymer Gels, Henri C. G. de Cagny, Bart E. Vos, Mahsa Vahabi, Nicholas A. Kurniawan, Masao Doi, Gijsje H. Koenderink, F. C. MacKintosh, and Daniel Bonn, Phys. Rev. Lett. 117, 217802