Eerst putjes, dan plooien: de fysica van de rimpelbol

Illustratie’s en foto’s Nature Materials

Wie wel eens rimpelvingers heeft gehad van te lang in bad zitten, kent het verschijnsel: een plooibaar membraan op een krimpende ondergrond geeft een grillig rimpelpatroon.

Die patronen kunnen verschillende vormen aannemen: putjes als op een golfbal (links), labyrint-achtige rimpels (hier niet te zien), en een tussenfase met zowel putjes als labyrint-rimpels (rechts).

Dat laten onderzoekers zien van onder andere het Massachusetts Institute of Technology in Nature Materials van 2 februari, waarin ze een wiskundige theorie presenteren voor krimpende membranen op bolvormige oppervlakken. Het verschijnsel treedt op bij badderaars, maar ook bij de vorming van vingerafdrukken in foetussen, in celmembranen van embryo’s, bij de plooiing van de hersenschors en – op een veel grotere schaal – in de korst van hemellichamen als Jupiters ijsmaan Europa. En je zou de patronen ook kunnen gebruiken in nanofabricagetechnieken.

Een cruciale parameter blijkt de verhouding tussen de dikte van het membraan en de straal van de bol. Als die klein is, krijg je putjes, als die groot is labyrintrimpels, en bij waarden daar tussenin de mengvorm. Dat is in computersimulaties van de theorie te zien (boven), maar ook in experimenten (onder).

De onderzoekers fotografeerden flexibele plastic bolletjes ter grootte van een pingpongbal, met aan de buitenkant een stijver membraan. Via een ventieltje kan de holle binnenkant vacuüm getrokken worden, waardoor het bolletje krimpt, en de verschillende rimpelpatronen in het membraan tevoorschijn springen. Het laat zien dat de theorie aardig in de buurt zit, maar ook dat je nog altijd wetenschappelijke experimenten kunt doen voor een paar tientjes aan materiaalkosten.