Training and memory in a randomly driven fractal gel

Materialien, die solide aussehen, im Inneren aber eigentlich ungeordnet sind, wie etwa ein zerknittertes Stück Papier oder ein Glas mit dicht gepacktem Sand, verhalten sich oft auf eine Weise, die einer einfachen Logik zu widersprechen scheint. Wenn man diese ungeordneten Substanzen drückt oder dehnt, verschieben und ordnen sich ihre winzigen internen Bestandteile um. Normalerweise erwarten Wissenschaftler, dass diese Umordnung chaotisch und permanent ist, was das Material nach jedem Stoß in einem neuen, verwirrten Zustand zurücklässt. Forscher haben jedoch kürzlich entdeckt, dass einige dieser ungeordneten Materialien „lernen“ können. Wenn man sie mit einem bestimmten Rhythmus und einer bestimmten Stärke immer wieder hin und her drückt, können sie sich selbst darauf trainieren, jedes Mal zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren, was bedeutet, dass sie sich exakt an die angewendete Kraft erinnern. Dieses Phänomen, bekannt als Training, wurde in Systemen wie gepackten Körnern und zerknitterten Blättern beobachtet, es war jedoch unklar, ob dies auch in weichen, geleeartigen Substanzen namens Gelen möglich ist oder ob es auftreten kann, wenn die Druckkraft zufällig und unvorhersehbar ist anstatt eines stetigen, sich wiederholenden Rhythmus.

Ein Team von Physikern setzte sich zum Ziel, diese Fragen zu untersuchen, indem sie ein fraktales Gel untersuchten – eine Substanz, die aus winzigen Siliziumpartikeln besteht, die in Mineralöl gemischt wurden, um ein delikates, schwammartiges Netzwerk zu bilden. Um zu beobachten, was in dieser unsichtbaren Welt geschah, verwendeten sie eine leistungsstarke Technik namens Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie. Stellen Sie sich vor, man schießt einen sehr fokussierten Röntgenstrahl durch das Gel und beobachtet, wie das Licht von den beweglichen Teilchen gestreut wird. Durch die Analyse der Muster dieses gestreuten Lichts konnten die Forscher die exakte Anordnung der Teilchen sehen und verfolgen, wie sie sich bewegten, wenn das Gel gedrückt wurde. Sie platzierten das Gel zwischen zwei Platten und nutzten eine präzise Maschine, um die untere Platte vor und zurück gleiten zu lassen, wodurch eine Scherrate (Shear Strain) erzeugt wurde – eine Art von Kraft, die versucht, die Schichten des Materials aneinander vorbeigleiten zu lassen.

Die Forscher führten zwei verschiedene Arten von Experimenten durch, um zu sehen, wie das Gel reagieren würde. In der ersten Anwendung wandten sie einen vorhersehbaren, rhythmischen Druck und Zug an, indem sie das Gel bis zu einer bestimmten Grenze dehnten und dann immer wieder auf Null zurückführten. In der zweiten Anwendung nutzten sie einen zufälligen Ansatz, bei dem sie das Gel in einem chaotischen Muster bewegten, das auf und ab wanderte, aber niemals die gleichen maximalen Grenzwerte wie das erste Experiment überschritt. Sie fanden heraus, dass beide Methoden funktionierten. Ob das Gel in einem stetigen Rhythmus oder einem „Random Walk“ gedrückt wurde, die interne Struktur lernte schließlich, reversibel zu werden. Das bedeutet, dass die Teilchen nach einer gewissen Anzahl von Zyklen exakt an die Positionen zurückkehrten, an denen sie zu Beginn jeder Dehnung waren, obwohl der Weg, den sie dorthin nahmen, unterschiedlich gewesen sein mochte. Das Gel hatte sich effektiv darauf trainiert, sich an die Grenzen der angewandten Kraft zu erinnern.

Das Training des Gels hing jedoch davon ab, wie es gedrückt wurde. Wenn die Kraft stetig und rhythmisch war, erfolgte das Training schnell und reibungslos. Das Gel wurde Zyklus für Zyklus reversibel und verbesserte sich mit jeder Wiederholung darin, zu seinem Ausgangspunkt zurückzukehren. Wenn die Kraft zufällig war, war der Prozess viel langsamer und erratischer. Die Fähigkeit des Gels, in seinen Originalzustand zurückzukehren, verbesserte sich, sank dann manchmal ab, bevor sie sich erneut verbesserte, aber der Gesamttrend ging dennoch in Richtung größerer Reversibilität. Dies zeigte, dass die Zufälligkeit den Lernprozess zwar ungeordneter machte, das Gel aber nicht am Lernen hinderte. Die Forscher maßen auch, wie weit sich die Teilchen während dieser Zyklen irreversibel bewegten. Sie fanden heraus, dass die irreversible Bewegung der Teilchen während des Trainings abnahm und schließlich so gering wurde, dass das Material perfekt elastisch zurücksprang.

Um zu beweisen, dass das Gel wirklich die spezifische Stärke der verwendeten Kraft erinnerte, nutzte das Team einen „Readout“-Test (Auslesetest). Sie nahmen Gele, die mit unterschiedlichen Mengen an Kraft trainiert worden waren, und unterzogen sie einer neuen Serie von Dehnungen, deren Stärke schrittweise erhöht wurde. Bei Gelen, die nicht trainiert worden waren, sank die Korrelation zwischen Start- und Endposition sofort ab, sobald die Kraft stark genug war, um die Teilchen zu bewegen. Aber bei den trainierten Gelen geschah etwas Interessantes: Solange die neue Kraft unter dem Niveau lag, auf dem sie trainiert worden waren, blieb das Gel bemerkenswert stabil und reversibel. In dem Moment, in dem die Kraft das exakte Limit ihres Trainings erreichte, brach die Stabilität zusammen und die Korrelation fiel scharf ab. Dieser scharfe Abfall diente als Signatur und bestätigte, dass das Gel ein Gedächtnis für die spezifische Amplitude der erfahrenen Dehnung gespeichert hatte.

Die Studie enthüllte, dass dieser Gedächtniseffekt nicht auf geordnetes, rhythmisches Drücken beschränkt ist; er kann auch durch zufällige, chaotische Kräfte induziert werden, sofern diese Kräfte innerhalb bestimmter Grenzen bleiben. Während die interne Struktur des Gels keine offensichtlichen Anzeichen dafür zeigte, dass sich sein gesamtes Netzwerk änderte oder neue Verbindungen entstanden, deutete die Art und Weise, wie es auf Stress reagierte, darauf hin, dass sich die Teilchen lokal neu organisierten, um die Kraft aufzunehmen. Die Forscher stellten fest, dass das Gel bei sehr kleinen Kräften bereits elastisch und reversibel war und daher kein Training benötigte. Sobald die Kraft jedoch einen gewissen Schwellenwert erreichte, wurde der Trainingsprozess notwendig, um die Reversibilität wiederherzustellen. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit des Gels zu erinnern ein dynamischer Prozess ist, der erst entsteht, wenn das Material stark genug gedrückt wird, um interne Verschiebungen zu verursachen, aber nicht so stark, dass es vollständig zerfällt. Die Ergebnisse werfen neue Fragen darüber auf, wie ungeordnete Materialien Informationen über ihre mechanische Geschichte speichern, und deuten darauf hin, dass selbst die chaotischsten Systeme eine verborgene Kapazität besitzen könnten, zu lernen und sich anzupassen.