Training and memory in a randomly driven fractal gel

Materialen die er solide uitzien maar van binnen rommelig zijn, zoals een verkreukeld stuk papier of een pot met dicht opeengepakte zand, gedragen zich vaak op manieren die de eenvoudige logica lijken te tarten. Wanneer je deze ongeordende stoffen indrukt of uitrekt, verschuiven en herschikken hun minuscule interne onderdelen. Meestal verwachten wetenschappers dat deze herschikking chaotisch en permanent is, waardoor het materiaal na elke duw in een nieuwe, verwarde staat achterblijft. Echter, onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat sommige van deze rommelige materialen kunnen "leren". Als je ze met een specifiek ritme en een specifieke kracht heen en weer duwt, kunnen ze zichzelf trainen om telkens naar hun oorspronkelijke vorm terug te keren, waardoor ze de exacte kracht die werd gebruikt effectief onthouden. Dit fenomeen, bekend als training, is waargenomen in systemen zoals samengepakte korrels en gekreukelde vellen, maar het was onduidelijk of dit ook kon voorkomen in zachte, gelei-achtige substanties die gels worden genoemd, of dat het kon plaatsvinden wanneer de duwkracht willekeurig en onvoorspelbaar was in plaats van een gestaag, herhalend ritme.

Een team van natuurkundigen zette zich in om deze vragen te beantwoorden door een fractale gel te bestuderen, een substantie bestaande uit minuscule silica-deeltjes gemengd in minerale olie die een delicaat, sponsachtig netwerk vormt. Om te kunnen zien wat er binnen in deze onzichtbare wereld gebeurde, gebruikten ze een krachtige techniek genaamd röntgenfoton-correlatiespectroscopie. Stel je voor dat je een zeer gefocuste bundel röntgenstraling door de gel schijnt en kijkt hoe het licht verstrooit door de bewegende deeltjes. Door de patronen van dit verstrooide licht te analyseren, konden de onderzoekers de exacte rangschikking van de deeltjes zien en volgen hoe ze bewogen wanneer de gel werd ingedrukt. Ze plaatsten de gel tussen twee platen en gebruikten een precisieapparaat om de onderste plaat heen en weer te laten schuiven, waarbij ze afschuifvervorming (shear strain) toepasten, een type kracht dat probeert lagen van het materiaal langs elkaar te laten glijden.

De onderzoekers voerden twee verschillende soorten experimenten uit om te zien hoe de gel zou reageren. In het eerste gevalffen ze een voorspelbare, ritmische duw- en trekbeweging toe, waarbij ze de gel tot een specifieke limiet uitrekten en vervolgens telkens weer naar nul terugbrachten. In het tweede experiment gebruikten ze een willekeurige aanpak, waarbij ze de gel in een chaotisch patroon lieten bewegen dat op en neer dwaalde, maar nooit de maximale grenzen van het eerste experiment overschreed. Ze ontdekten dat beide methoden werkten. Of de gel nu met een gestage ritme werd geduwd of via een willekeurige wandeling (random walk), de interne structuur leerde uiteindelijk om reversibel te worden. Dit betekent dat de deeltjes na een bepa�elijk aantal cycli terug zouden keren naar exact dezelfde posities waar ze aan het begin van elke rektoestand begonnen, zelfs als het pad dat ze daarheen aflegden anders was. De gel had zichzelf effectief getraind om de grenzen van de toegepaste kracht te onthouden.

Echter, de manier waarop de gel leerde, hing af van hoe deze werd geduwd. Wanneer de kracht gestaag en ritmisch was, verliep de training snel en soepel. De gel werd cyclus voor cyclus reversibel en werd steeds beter in het terugkeren naar het startpunt bij elke herhaling. Wanneer de kracht willekeurig was, was het proces veel langzamer en grilliger. Het vermogen van de gel om terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat verbeterde, om vervolgens soms weer te dalen, voordat het weer verbeterde, maar de algemene trend bewoog nog steeds richting grotere reversibiliteit. Dit toonde aan dat hoewel de willekeur het leerproces rommeliger maakte, het de gel niet verhinderde om te leren. De onderzoekers maten ook hoe ver de deeltjes onomkeerbaar bewogen tijdens deze cycli. Ze vonden dat naarmate de gel trainde, de afstand die de deeltjes permanent aflegden afnam, totdat deze uiteindelijk zo klein werd dat het materiaal perfect leek terug te veren.

Om te bewijzen dat de gel werkelijk de specifieische sterkte van de gebruikte kracht onthield, gebruikten het team een "readout"-test (uitleesttest). Ze namen gels die waren getraind met verschillende hoeveelheden kracht en onderwierpen deze vervolgens aan een nieuwe reeks rekkingen die geleidelijk in kracht toenamen. Voor gels die niet waren getraind, daalde de correlatie tussen de begin- en eindposities onmiddellijk zodra de kracht sterk genoeg was om de deeltjes te bewegen. Maar voor de getrainde gels gebeurde er iets interessants. Zolang de nieuwe kracht onder het niveau bleef waarop ze waren getraind, bleef de gel opmerkelijk stabiel en reversibel. Op het moment dat de kracht de exacte limiet van hun training bereikte, stortte de stabiliteit in en daalde de correlatie scherp. Deze scherpe daling fungeerde als een handtekening, wat bevestigde dat de gel een geheugen had opgeslagen van de specifieke amplitude van de vervorming die het had ervaren.

De studie onthulde dat dit geheugeneffect niet beperkt is tot ordelijke, ritmische duwbewegingen; het kan ook worden opgewekt door willekeurige, chaotische krachten, mits die krachten binnen bepaalde grenzen blijven. Hoewel de interne structuur van de gel geen duidelijke tekenen vertoonde van veranderingen in het algemene netwerk of de vorming van nieuwe verbindingen, suggereerde de manier waarop het reageerde op spanning dat de deeltjes lokaal reorganiseerden om de kracht te accommoderen. De onderzoekers merkten op dat bij zeer kleine krachten de gel al elastisch en reversibel was, waardoor training niet nodig was. Maar zodaal de kracht een bepaalde drempel bereikte, werd het trainingsproces noodzakelijk om reversibiliteit te herstellen. Dit suggereert dat het vermogen van de gel om te onthouden een dynamisch proces is dat alleen ontstaat wanneer het materiaal hard genoeg wordt geduwd om interne verschuivingen te veroorzaken, maar niet zo hard dat het volledig uiteenvalt. De bevindingen openen nieuwe vragen over hoe ongeordende materialen informatie over hun mechanische geschiedenis bewaren, en wijzen erop dat zelfs de meest chaotische systemen een verborgen capaciteit kunnen bezitten om te leren en zich aan te passen.