17 feb. 1999
2 minuten
Onderzoekers van FOM-instituut Amolf en het Duitse Forschungzentrum Jülich hebben ontdekt waarom polymeren in een oplossing vloeibaar worden wanneer je de oplossing roert. Zij ontdekten dat de polymeerstructuur, een kluwen van spaghettislierten, verandert in keurige boogvormige filamenten die langs elkaar schuiven. De vondst kan helpen om biologische processen, zoals stromingen in de cellen van embryo’s, beter te begrijpen.
Het feit dat polymeren in een oplossing vloeibaar worden wanneer je roert of smeert, wordt gebruikt in allerlei alledaagse materialen, waaronder in tandpasta en verf. Als het materiaal ongebruikt in de pot zit, zijn de polymeren met elkaar verstrengeld en vormen ze een vast netwerk dat de vloeistof dik maakt. Door de oplossing te roeren of uit te smeren, raken de polymeren weer vloeibaar. Vooral bij hoge stroomsnelheden neemt de stroperigheid van de oplossing sterk af: hoe sneller je roert, hoe dunner het materiaal wordt.
Dit gedrag treedt ook op bij natuurlijke polymeren, bijvoorbeeld bij de actinevezels die stevigheid geven aan biologische cellen. Oplossingen met actinevezels worden niet alleen vloeibaar als je ze van buitenaf roert, maar kunnen ook zichzelf vloeibaar maken doordat moleculaire motoreiwitten de vloeistof in beweging brengen.
Omdat polymeren zeer klein zijn en het daardoor moeilijk is ze zichtbaar te maken, begrepen onderzoekers nog niet goed waarom polymeren dit gedrag vertonen. De onderzoeksgroepen van prof.dr. Gijsje Koenderink (Amsterdam) en prof.dr. Pavlik Lettinga (Julich) hebben daar verandering in gebracht.
Spaghetti en haarspelden
De onderzoekers maakten de driedimensionale vorm van polymeerdraden zichtbaar op het moment dat de stof gaat vloeien. Ze gebruikten daarvoor actinevezels, opgezuiverd uit biologische cellen. De fysici merkten de vezels met een fluorescente kleurstof. Vervolgens brachten ze de oplossing in stroming, terwijl ze de polymeerdraden observeerden met een microscoop. Zo konden ze de veranderingen in vorm en richting van de individuele polymeerdraden precies volgen.
De wetenschappers zagen dat zolang er geen stroming is, de filamenten sterk met elkaar verstrengeld zijn. Als het systeem vloeibaar wordt, vervormen de filamenten tot haarspeldachtige structuren die zich van elkaar losmaken. Bij grote stromingssnelheden glijden de filamenten vrijelijk over elkaar.
Toepassingen
Nu de onderzoekers beter begrijpen hoe het stromingsgedrag van een polymeeroplossing tot stand komt, kunnen zij het gedrag ook beïnvloeden. Dat is mogelijk door de eigenschappen van de polymeren, zoals hun lengte en stijfheid, te variëren. Een verandering in het stromingsgedrag kan bijvoorbeeld het ‘mondgevoel’ van voedingswaren of het verwerkingsgedrag van verf beïnvloeden.
De resultaten helpen bovendien om biologische processen zoals cytoplasmische stroming te begrijpen. Deze stroming treedt op in cellen van sommige dierlijke embryo’s en in grote plantencellen. Eiwitfilamenten zorgen samen met moleculaire motoreiwitten voor een stroming die celonderdelen en voedingstoffen aanvoert.
De nieuwe microscopiemethode opent ook de weg naar het bestuderen van meer complexe systemen. Zo zijn de onderzoekers van plan om het basismechanisme van bloedstolling te bestuderen, door te kijken naar de wisselwerking tussen netwerkvorming van fibrine-biopolymeren, bloedplaatjes en rode bloedcellen.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications: Direct visualization of flow-induced conformational transitions of single actin filaments in entangled solutions, Inka Kirchenbuechler, Donald Guu, Nicholas A. Kurniawan, Gijsje H. Koenderink en M. Paul Lettinga, Nature Communications (2014)
Anderen lazen ook
