Deeltjes die uit zichzelf kunnen bewegen, condenseren op een andere manier dan gewone deeltjes zoals watermoleculen. Deze ‘actieve deeltjes’ bewegen vanzelf naar gebieden met een hoge dichtheid en klonteren daar krioelend bij elkaar.

Wie ‘s ochtends vroeg door het gras loopt, ziet dat waterdamp condenseert tot dauwdruppels aan frisgroene grassprietjes. Dat gebeurt doordat watermoleculen in de lucht trager gaan bewegen als de temperatuur daalt. De aantrekkende vanderwaalskracht tussen moleculen – vernoemd naar de Nederlandse natuurkundige Johannes Diderik van der Waals – krijgt dan de overhand. Hierdoor plakken de watermoleculen aan elkaar en condenseren ze tot vloeibare waterdruppels. Bijna alle vloeistoffen condenseren op deze manier.

Actieve deeltjes

Nu hebben Amerikaanse en Zuid-Koreaanse onderzoekers aangetoond dat er nog een manier bestaat waarop deeltjes kunnen condenseren. Dat kunnen ze zelfs als ze geen vanderwaalskracht ervaren, maar elkaar juist afstoten. Sommige deeltjes blijken dan te condenseren door zich om te draaien en naar gebieden met een hoge dichtheid toe te bewegen. Het zijn dan net automobilisten die een file zien en denken ‘dat ziet er gezellig uit, laat ik erbij gaan staan’.

Deeltjes of objecten die zichzelf voort kunnen bewegen worden ‘actieve deeltjes’ genoemd. Het is een breed begrip waar bijvoorbeeld bacteriën en bepaalde eiwitten onder vallen, maar ook vissen en vogels. ‘Grote aantallen actieve deeltjes kunnen fascinerend collectief gedrag vertonen’, mailt natuurkundige Ricard Alert van het Amerikaanse Princeton University. ‘Zoals chaotische stromingen in bacteriële suspensies, en de betoverende zwermbewegingen van vogels.’

Uit eerder onderzoek was gebleken dat zulke actieve deeltjes op elkaar kunnen botsen waarbij ze elkaar tijdelijk klemzetten. Als hier meer deeltjes bijkomen, dan ontstaat er een soort verkeersopstopping van klemgezette deeltjes.

Janus-deeltjes

In hun nieuwe onderzoek bestudeerden de Amerikaanse en Zuid-Koreaanse onderzoekers dit condensatiegedrag van actieve deeltjes in meer detail. Ze gebruikten microscopische glazen bolletjes van 0,003 millimeter groot, die voor de helft bedekt zijn met een dunne titaniumlaag. Dit worden Janus-deeltjes genoemd – als verwijzing naar de Romeinse god Janus die vaak is afgebeeld met twee hoofden.

De onderzoekers deden honderden van deze Janus-deeltjes in een vloeistof en wekten een elektrisch veld op. De metalen helft van de bolletjes reageerde op het elektrisch veld, waardoor ze in beweging kwamen. Ook zorgt het elektrisch veld voor elektrostatische krachten waardoor de deeltjes elkaar afstootten, vertelt Alert.

Zoals verwacht condenseerden de deeltjes in clusters van botsende deeltjes. Maar in tegenstelling tot verkeersopstoppingen, bleven de deeltjes in deze clusters met hoge snelheid bewegen. De snel zoevende deeltjes cirkelden bovendien steeds weer terug naar de clusters.

Robotzwermen

‘Dit gedrag lijkt te ontstaan doordat de deeltjes elkaar meer afstoten aan de achterkant, waar ze bedekt zijn met metaal, dan aan de voorkant’, zegt Alert. ‘Dit gedrag zal waarschijnlijk ook optreden bij andere actieve Janus-deeltjes. En mogelijk vindt het ook plaats bij cellen of zelfs vogels die die elkaar niet elektrostatisch afstoten, maar die hun buren wel kunnen zien of voelen en daarop kunnen reageren.’

Dit gedrag van actieve deeltjes kan in de toekomst toepassingen krijgen. De onderzoekers denken bijvoorbeeld aan het programmeren van dergelijk gedrag in zwermen van robots. Die kunnen informatie over hun omgeving verzamelen en vervolgens samenkomen in clusters om deze informatie snel te delen.