Tubifex-wormen zijn dunne, wiebelende wezens die wel iets van polymeermoleculen hebben - in ieder geval in de ogen van natuurkundige Daniel Bonn en fysisch chemicus Sander Woutersen. In een reeks experimenten onderzochten de twee hoogleraren samen met postdoc-onderzoeker Antoine Deblais of het gedrag van grote aantallen van deze dunne wormen op de fysica van polymeren zou lijken. Het object van studie was gemakkelijk te verkrijgen: Tubifex-wormen (minder dan een halve millimeter dik en een tot twee centimeter lang) dienen als voedsel voor aquariumvissen en zijn in elke dierenwinkel te koop. Het onderzoek begon als een experiment op vrijdagmiddag, omdat Woutersen zich de wormen herinnerde uit zijn tienerjaren, toen hij zelf een aquarium had.

Spontane organisatie

Als de wormen in een aquarium worden losgelaten, hebben ze de neiging om spontaan te verstrikken en kluwens te vormen. Deze kluwens smelten samen en uiteindelijk komt de hele set wormen in één grote kluwen terecht. Dit gedrag lijkt veel op de zogenaamde fasescheiding in de natuurkunde, waar elkaar aantrekkende moleculen zich ophopen in steeds grotere aggregaten. Een bekend voorbeeld van dat laatste is de groei van dauwdruppels op een oppervlak. Uit experimenten met de wormen bleek echter dat hun 'kluwengroei' veel sneller verloopt dan bij druppels. De onderzoekers verklaren dit in termen van de actieve beweging van de wormen, die er voor zorgt dat de groeiende kluwens willekeurig bewegen met een gemiddelde snelheid die onafhankelijk is van de kluwengrootte. Dit verschilt van coalescentie van druppels, waarbij grotere druppels langzamer bewegen dan kleine.

De viscositeit van wormenkluwens

De volgende verrassing kwam toen de onderzoekers ontdekten dat een wormenkluwen zich gedraagt als een visceuze, stroperige vloeistof. Net als een druppel vloeistof heeft de kluwen een meetbare oppervlaktespanning en vertoont hij weerstand als hij wordt vervormd door middel van een milde schuifkracht. De onderstaande video (2x vertraagd) laat zien hoe een standaard apparaat voor viscositeitsmeting werd gebruikt om een kluwen van slibwormen te bestuderen.In het geval van verstrengelde polymeermoleculen brengen zulke experimenten een shear-thinning effect aan het licht: bij grotere afschuifkrachten wordt een polymeeroplossing minder stroperig. Dit komt omdat de polymeren de neiging hebben uit te lijnen met de stroomrichting. Verrassend genoeg is in het geval van de wormenkluwen sprake van een sterk verminderde shear-thinning. De onderzoekers leggen dit opnieuw uit in termen van de actieve beweging van de wormen, die hier voorkomen dat de beestjes uitlijnen met de stroomrichting.

Inspiratie voor een nieuwe theorie

Aangezien de actieve beweging van de wormen essentieel lijkt te zijn voor zowel de groeikinetiek van de kluwen als de shear thinning, denken de Amsterdamse onderzoekers dat hun studie inspiratie kan bieden voor de ontwikkeling van de fysica van active matter. Deze 'actieve materie', opgebouwd uit actief bewegende entiteiten, is wereldwijd een veel bestudeerd onderwerp. Tot nu toe zijn er echter vooral experimenten gedaan aan puntachtige deeltjes, en er is zeer weinig bekend over actieve polymeren. De UvA-onderzoekers hopen dat hun werk theoretici helpt om de theorie voor deze nieuwe klasse van actieve materie te ontwikkelen.

Publicatie details

A. Deblais, S. Woutersen, and D. Bonn, “Rheology of Entangled Active Polymer-Like T. Tubifex Worms”, Physical Review Letters 124, 188002 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.188002

A. Deblais, A. C. Maggs, D. Bonn, and S. Woutersen, “Phase Separation by Entanglement of Active Polymerlike Worms”, Physical Review Letters 124, 208006 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.208006

Meer lezen

Een meer gedetailleerde uitleg van de viscositeitsexperimenten is te vinden in een 'highlight' op de website van de American Physical Society: Worm Viscosity.