Van eieren koken tot het stollen van bloed: hoe ontstaan gels?

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Alle gelvormingsverschijnselen zijn gebaseerd op coagulatie (stollen) van de onderliggende deeltjes: eiwitten in ei, melk of bloed die samenkomen, ruimtevullende netwerken vormen en daarmee stijfheid verlenen aan een materiaal op dezelfde manier als een spin van zachte draden een stevig web weet te maken.

Fractale structuren

Gelvorming verschilt van kristalvorming, waarbij de atomen en moleculen zich rangschikken in een periodiek rooster met hoge dichtheid. Bij gelvorming ontstaan netwerken met een lage dichtheid en met een bijzondere structuur: ze vormen vaak fractals die een intrigerende zelfgelijkendheid vertonen: de structuren blijven er hetzelfde uitzien als we inzoomen op steeds kleinere details.

Hoewel gelvorming alomtegenwoordig is in de natuur, is het verschijnsel niet heel goed begrepen. Er is geen algemene natuurkundige theorie die alle verschillende gelvormingsprocessen beschrijft. De onderzoekers gebruikten nu directe waarnemingen van het samenkomen van de onderliggende deeltjes, waarbij ze de onderlinge aantrekkingskracht konden beïnvloeden, en computersimulaties en theoretische modellen. Het onderzoek geeft een direct inzicht in hoe de gelstructuren zich ontwikkelen. Terwijl de deeltjes samenkomen en het aantal verbonden ‘buren’ groeit, verliezen de deeltjes snelheid en wordt het systeem steeds stijver, tot aan het punt dat het grootste zo ontstane web de hele ruimte van het systeem vult (het ‘percoleert’) en zo aan het hele materiaal stijfheid verleent.

Het beroemdste voorbeeld van percolatie is waarschijnlijk de manier waarop water zich verspreidt door gemalen koffiebonen en daarbij de oplosbare bestanddelen meeneemt die de koffie zijn kleur en smaak geven. Percolatie zorgt ervoor dat de vloeistof aan de andere kant van de gemalen koffie weer vrijkomt. De onderzoekers hebben nu ontdekt dat de volledig verbonden staat waarin en gel zich bevindt, op een soortgelijke manier ontstaat als allerlei andere percolatieverschijnselen in de natuur- en scheikunde. Als je ontbijt maakt is de natuurkunde van het koken van een ei hetzelfde als die van het koffiezetten! Het enige verschil: het percolerende netwerk dat zich vormt uit de samenkomende eiwitten is een vaste stof, terwijl het in de koffie bestaat uit vloeibaar water.

De resultaten laten een nieuwe thermodynamische fase-overgang zien, naast bekendere fase-overangen zoals bevriezen (kristalvorming) en verdampen. In de gelvormings-overgang wordt het systeem steeds meer gevangen in de toestand van een groeiend, alles verbindend netwerk-in tegenstelling tot kristalvorming, waar atomen en moleculen een geordend rooster vormen. De uitkomsten, die gebruikt kunnen worden voor allerlei producten in de voedsel- en cosmeticaïndustrie, maar ook in de biologie en nanowetenschappen, hebben vele toepassingen.