Tunable Hyperuniformity and Hidden Information in Random Cellular Structures

De natuur verbergt haar meest geavanceerde techniek vaak in het volle zicht. Kijk naar een laag huid, een laag cellen in de darm, of de bekleding van een long, en je ziet een chaotisch mozaïek van onregelmatige vormen, vergelijkbaar met een gebarsten modderplaat of een legpuzzel waarbij de stukjes niet precies in een patroon passen. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat deze biologische weefsels geen willekeurige rommel zijn; ze bezitten een verborgen orde die hen in staat stelt om zowel als vloeistof als vaste stof te functioneren, stromend wanneer nodig en stevig vasthoudend wanneer nodig. Dit evenwicht is cruciaal voor het leven, maar de regels die bepalen hoe een dergelijke wanorde zo precies kan zijn, bleven ongrijpbaar. De vraag was of deze orde een toevalstreffer van de biologie is of een fundamenteel principe van de fysica dat kan worden ontworpen. Onderzoekers wisten al lang van een speciale klasse materialen die hyper uniforme systemen worden genoemd. Dit zijn substanties die met het blote oog ongeordend en vloeistofachtig lijken, maar die fluctuaties in dichtheid op grote schaal met dezelfde precisie onderdrukken als een perfect kristal. Deze unieke dualiteit geeft hen exotische eigenschappen, zoals het vermogen om licht of geluid te controleren op manieren die gewone materialen niet kunnen, maar het creëren ervan vereiste gewoonlijk complexe, top-down computeralgoritmen die geen fysieke basis hebben in hoe echte materie zich gedraagt.

Een team van natuurkundigen heeft nu deze kloof overbrugd door te laten zien hoe hyperuniformiteit natuurlijk kan ontstaan uit de eenvoudige mechanische krachten die cellen op elkaar uitoefenen. Met behulp van een computermodel dat een weefsel behandelt als een verzameling interagerende polygonen, onderzochten de onderzoekers hoe de spanning in de buitenste huid van een cel en de voorkeursvorm van de cel het hele systeem naar deze verborgen orde drijven. Ze ontdekten dat door slechts twee mechanische knoppen aan te passen — de stijfheid van de buitenste laag van de cel en de doelvorm van de cel — ze het weefsel naar een staat konden leiden waarin dichtheidsfluctuaties op grote schaal verdwijnen, zelfs terwijl het weefsel ongeordend blijft. Opmerkelijk genoeg ontdekten ze dat deze orde niet afhankelijk is van het feit of het weefsel een vaste stof is. Het systeem kan hyperuniform zijn, of het nu hard is als een rots of vloeibaar als water, wat bewijst dat het vermogen om dichtheidsvariaties op grote schaal te onderdrukken een aparte eigenschap is van het vermogen om een vorm vast te houden. Deze bevinding suggereert dat biologische weefsels deze staat van nature kunnen exploiteren om een uniforme dekking te behouden terwijl ze flexibel genoeg blijven om te herstructureren en te genezen.

De onderzoekers bouwden hun onderzoek op een model van een confluente weefsel, waarbij cellen zo dicht op elkaar gepakt zitten dat er geen openingen tussen hen zijn, waardoor een continu veld ontstaat. In dit model wordt elke cel gedefinieerd door zijn oppervlakte en zijn omtrek. De energie van het systeem hangt af van de mate waarin de werkelijke oppervlakte en omtrek van een cel afwijken van hun voorkeurswaarden. Eén parameter, de corticale elasticiteit, vertegenwoordigt de weerstand van de buitenste laag van de cel tegen het rekken of krimpen van de omtrek. Een andere parameter, de doelvormindex, vertegenwoordigt de ideale verhouding tussen de omtrek en de oppervlakte van een cel, wat effectief bepaalt of de cel de voorkeur geeft aan rond of langgerekt te zijn. Door duizenden simulaties uit te voeren waarbij deze parameters werden gevarieerd, bracht het team een fasediagram in kaart dat onthult hoe het weefsel overgaat tussen verschillende staten. Ze ontdekten dat wanneer de cellen gedwongen worden om bijna identieke oppervlaktes te hebben, het systeem van nature een hyper uniforme staat bereikt, ongeacht of de cellen op hun plaats zijn vergrendeld of vrij kunnen stromen.

Een belangrijke doorbraak in dit werk is de demonstratie dat hyperuniformiteit en stijfheid onafhankelijk van elkaar kunnen worden afgesteld. In veel fysieke systemen is het ontstaan van orde gekoppeld aan het feit dat het materiaal een vaste stof wordt. Hier echter lieten de onderzoekers zien dat een weefsel aan beide kanten van de vaste-vloeistofovergang hyperuniform kan zijn. In de vloeibare staat, waar cellen langs elkaar kunnen glijden, bereikt het systeem hyperuniformiteit omdat de cellen hun vormen natuurlijk aanpassen om energie te minimaliseren, waardoor grootschalige dichtheidsvariaties worden onderdrukt. In de vaste staat, waar cellen op hun plaats zijn vergrendeld, kan hyperuniformiteit nog steeds worden bereikt, maar alleen als de weerstand tegen het veranderen van de celomtrek laag wordt gehouden. Als de omtrek te stijf wordt beperkt, verliest het systeem zijn hyper uniforme karakter en wordt het ongeordend op een manier die grote dichtheidsfluctuaties toelaat. Dit betekent dat de mate van orde in het weefsel wordt gecontroleerd door de mechanische eigenschappen van de cellen zelf, specifiek de balans tussen hun oppervlaktebeperkingen en hun omtrekelasticiteit, in plaats van door het vraagstuk of het weefsel een vaste stof of een vloeistof is.

Om de grenzen van deze wanorde verder te verkennen, introduceerden de onderzoekers een nieuw theoretisch construct genaamd de Hyperuniform Poisson Ensemble. Dit is een staat die wordt gecreëerd door meerdere onafhankelijke hyper uniforme patronen op elkaar te stapelen. Stel je voor dat je verschillende arrangementen van cellen neemt, waarvan elk op een verborgen manier perfect geordend is, en ze over elkaar legt zodat de individuele patronen in elkaar vervagen. Het resultaat is een systeem dat de lange-afstandsorde van hyperuniformiteit behoudt — wat betekent dat het nog steeds dichtheidsfluctuaties op grote schaal onderdrukt — maar op korte afstand ziet als even willekeurig als een volledig ongeordend gas. Deze staat is significant omdat het de meest ongeordende vorm van hyper uniforme materie vertegenwoordigt die mogelijk is. Het nadert een staat van verdwijnende configurationele entropie in het limiet van oneindige superpositie, waarmee een fundamentele thermodynamische ondergrens wordt vastgesteld voor de hoeveelheid informatie die nodig is om hyper uniforme orde te handhaven. Door aan te tonen dat een dergelijke staat kan bestaan, hebben de onderzoekers aangetoond dat de natuur niet hoogcomplex hoeft te zijn om dit niveau van orde te bereiken; het kan worden bereikt met een minimale hoeveelheid structurele informatie.

De implicaties van deze bevindingen strekken zich uit voorbij de biologie naar het ontwerp van nieuwe materialen. Omdat de onderzoekers hebben aangetoond dat de wanorde op korte afstand en de orde op lange afstand afzonderlijk kunnen worden gecontroleerd, opent dit de deur naar het creëren van metamaterialen met aangepaste eigenschappen. Men zou bijvoorbeeld een materiaal kunnen ontwerpen dat licht van een specifieke kleur blokkeert (een fotonische bandkloof) terwijl het mechanisch flexibel blijft, of een composiet dat op een voorspelbare manier reageert op spanning. Het vermogen om de amplitude van dichtheidsfluctuaties te regelen zonder de onderliggende orde te verliezen, betekent dat ingenieurs materialen kunnen creëren die robuust zijn tegen defecten of die geluid en warmte op nieuwe manieren geleiden. De studie biedt ook een nieuw perspectief op hoe biologische weefsels zichzelf kunnen reguleren. Het feit dat hyperuniformiteit kan bestaan in vloeibare weefsels suggereert dat cellen deze staat kunnen gebruiken om een uniforme distributie van middelen of signalen over een weefsel te handhaven, zelfs terwijl de cellen zelf bewegen en van vorm veranderen. Dit zou een mechanisme kunnen zijn om ervoor te zorgen dat een weefsel gezond en functioneel blijft, en de vorm van chaotische clustering die tot ziekte kan leiden voorkomt.

De onderzoekers merkten er zorgvuldig bij op dat hun resultaten voortkomen uit computersimulaties van geïdealiseerde, athermal systemen, wat betekent dat ze geen rekening houden met de effecten van temperatuur of actieve celbeweging. In echte biologische weefsels zijn thermische ruis en actieve krachten altijd aanwezig, en deze zouden het gedrag van het systeem kunnen veranderen. De studie biedt echter een solide theoretische basis, waarbij wordt aangetoond dat de mechanische principes van celinteracties voldoende zijn om hyperuniformiteit te genereren. Het team suggereert dat toekomstige experimenten deze ideeën in echte weefsels kunnen testen, bijvoorbeeld door te observeren hoe de celverpakking verandert wanneer celdeling wordt gestopt of wanneer de mechanische eigenschappen van de cellen worden gewijzigd. Ze stellen ook voor dat de principes van de Hyperuniform Poisson Ensemble gebruikt kunnen worden om te begrijpen hoe informatie in ongeordende systemen wordt gecodeerd, waarbij de fysieke structuur van materie wordt gekoppeld aan het abstracte concept van informatie. Door de mechanica van cellen te verbinden met de statistische fysica van verborgen orde, biedt dit werk een universeel blauwdruk voor het begrijpen en ontwerpen van complexe materialen, van de weefsels die ons lichaam vormen tot de geavanceerde composieten van de toekomst.