211service.com
Zijde op muziek zetten
Pond voor pond, spinzijde is een van de sterkste en meest veerkrachtige materialen die bekend zijn. Maar nieuw onderzoek door MIT's Markus Buehler en anderen zou de weg kunnen wijzen naar nog betere materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen - en een oor voor muziek kan een sleutel zijn bij het maken van deze synthetische stoffen.
Dit diagram toont de moleculaire structuur van een versie van kunstmatige spinnenzijde die sterke, goed verbonden vezels vormde. Muzikale composities op basis van dergelijke diagrammen laten zien hoe versies van de zijde verschillen.
Buehler, een professor in civiele en milieutechniek, heeft samengewerkt met onder meer een biomedisch ingenieur, een materiaalwetenschapper, een wiskundige en een muziekprofessor om een nieuwe benadering te bedenken voor het ontwikkelen van biologisch geïnspireerde moleculen. We proberen het maken van materialen op een andere manier te benaderen, legt Buehler uit, uitgaande van de bouwstenen, in dit geval de eiwitmoleculen die de structuur van zijde vormen.
Buehler's eerdere onderzoek wees uit dat vezels met een bepaald soort hiërarchische structuur helpen om zijde zijn uitzonderlijke eigenschappen te geven. Moleculen vormen kristallen of ongeordende aggregaten, die op hun beurt in bepaalde sequenties zijn geassembleerd, en die sequenties zelf zijn op bepaalde manieren gerangschikt. Voor de eerste poging om een nieuw materiaal te synthetiseren, koos het team ervoor om naar variaties op die basisstructuur te kijken.
Deze aanpak, die begon met gedetailleerde computermodellering, leidde tot enkele verrassende resultaten. Sommige arrangementen werkten veel beter dan andere die even veelbelovend leken. Dit leerde ons dat het niet voldoende is om alleen naar de eigenschappen van de eiwitmoleculen te kijken, zegt Buehler. Ook moet worden nagedacht over hoe ze kunnen worden gecombineerd om op grotere schaal een goed verbonden netwerk te vormen.
Het team ontdekte dat een potentieel bruikbare manier om over deze grootschaliger eigendommen na te denken, is door ze in muziek te vertalen. De verschillende niveaus van de structuur van zijde, zegt Buehler, zijn analoog aan de hiërarchische elementen waaruit een muzikale compositie bestaat: individuele noten die zijn samengevoegd tot maten, die op hun beurt een melodie vormen, enzovoort. Het team riep de hulp in van componist John McDonald, een professor in muziek aan Tufts, en MIT-postdoc David Spivak, een wiskundige die gespecialiseerd is in categorietheorie. Samen, met behulp van analytische hulpmiddelen die zijn afgeleid van de categorietheorie om de eiwitstructuren te beschrijven, bedacht het team hoe de details van de structuur van de kunstzijde in muzikale composities konden worden vertaald.
De verschillen waren behoorlijk duidelijk: sterke maar nutteloze eiwitmoleculen vertaalden zich in muziek die agressief en hard was, zegt Buehler, terwijl moleculen die bruikbare vezels vormden resulteerden in muziek die veel zachter en vloeiender klonk.
Buehler hoopt dat muzikale composities ook kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoe goed nieuwe variaties van het materiaal kunnen presteren.