Wanneer Timo van Overveld op het strand loopt, moet hij altijd even naar de zandribbels kijken. Vooral wanneer het eb is, laat de terugtrekkende zee prachtige structuren achter. Maar deze regelmatige, korte golfpatronen zijn complex van aard, vertelt Van Overveld. Vier jaar geleden begon hij zijn promotieonderzoek bij het Environmental Fluid Mechanics Lab. Daar wilde hij het hoe en waarom van deze zandribbels in een model vatten om hiermee grip te krijgen op sedimenttransport langs onze kustlijn. Veel simulaties en experimenten later is er inderdaad een model, maar veel fundamenteler van aard en daardoor ook in andere vakgebieden te gebruiken waar deeltjesinteractie, patroonvorming en stroming een rol spelen.

Golven

“Je kent ze wel, die zandgolfjes vlak langs de waterlijn.” Van Overvelds hand beweegt enthousiast mee wanneer hij uitlegt. Hij heeft wel iets met ritme en patronen, en is naast gedreven onderzoeker ook al ruim tien jaar de gitarist van de succesvolle coverband IMPAKT. Met meer dan honderd covers die per optreden voorbij denderen, geeft het “even uit de academische bubbel stappen” hem de nodige energie. Die hij vervolgens weer in zijn onderzoek stopt. “Zandribbels zijn een fascinerend schouwspel. Heel regelmatig, maar toch is het patroon op elke plek en moment weer anders. Wat je ziet is het resultaat van een heel dynamisch systeem. Door de golvende zee vormen de zandkorrels patronen en past de bodem zich daarop aan. Maar door die zandribbels verandert de stroming van het water op haar beurt ook weer, en krijg je een ingewikkelde wisselwerking. Al decennia lang proberen onderzoekers in een model te vangen hoe zand en ander sediment zich langs de kust gedragen, maar juist door deze complexiteit is dat vrij lastig.”

Van Overveld besloot daarom de gevormde patronen terug te brengen tot de allerkleinste schaal en bestudeerde wat nu de fundamentele interacties zijn tussen één of twee deeltjes en de stroming daar omheen. In simulaties kon hij het gedrag van een enkel deeltje beschrijven, maar zag hij bij twee deeltjes een extra fenomeen. “Het blijkt dat we meer zien dan de som van de losse delen. Dat komt door de oscillerende beweging, ook in de zee. De golven zorgen dat de stroming net boven de bodem heen en weer gaat, gemiddeld gezien blijven de deeltjes daardoor op hun plek. Maar we zien in de simulaties dat er zich achter de deeltjes een wervel vormt. Op langere tijdsschaal ontstaat daardoor dan een extra stroming, de residustroming.”

Schuddende knikkerbak

Zoals je in de natuurkunde wel vaker ‘een, twee, veel’ telt, was het ook voor Van Overveld de logische volgende stap om van twee deeltjes naar een handvol zand te gaan. Want hoe vertaalt zijn detailbeschrijving zich naar een groot patroon, en wat zijn daar dan precies de karakteristieken van? Voor studies met meer dan honderd deeltjes zijn simulaties niet geschikt, en daarom gooide Van Overveld honderden knikkers in een schuddende transparante waterbak. Met een camera erboven maakte hij video’s van wat er met de knikkers gebeurde. Zijn knikkervideo’s winnen uiteindelijk zelfs de Burgers Gallery van het J.M. Burgerscentrum, het landelijk onderzoeksinstituut Stromingsleer. “Magisch, al in een paar seconden vormt er zich een patroon. We hebben zo veel experimenten gedaan, waarbij we met alles varieerden waarmee we konden variëren. Grootte van de knikkers, aantallen, de frequentie en amplitude van het schudden.”

Ze zien - afhankelijk van de parameters - allerlei patronen, maar twee variaties voeren de boventoon: lange, dunne kettingen en bredere banden. In de literatuur komt Van Overveld twee onderzoeksgroepen tegen die afzonderlijk van elkaar deze patronen beschrijven, bij de Engelse groep resulteren experimenten in kettingen; de andere onderzoeksgroep uit Italië laat juist brede banden zien. Van Overveld is ervan overtuigd dat ze allemaal naar hetzelfde kijken. Hij werkt zijn theorie gebaseerd op zijn eigen experimenten en simulaties verder uit, en probeert een overkoepelend model te maken. Met succes. “We zagen dat alles draait om kleine werveltjes. In sommige condities zijn deze wervels groot genoeg waardoor twee kettingen kunnen samensmelten tot een dikkere band, in andere condities kan dit niet. Dat heeft alles te maken met hydrodynamica. Kijk maar op het strand als het stormt, dan zijn de zandribbels ook heel anders.”

Nanodeeltjes in beweging

Nu er dankzij het onderzoek van Van Overveld duidelijk is waarom er bepaalde patronen ontstaan, kan er ook gekeken worden hoe je deze patroonvorming kunt beïnvloeden. En zo wordt de toepassing van zijn model meteen een stuk breder, legt hij uit. “We weten nu hoe we elk willekeurig patroon kunnen maken. De Italiaanse onderzoekers kunnen mijn onderzoek als input gebruiken om daadwerkelijk een model te ontwikkelen dat sedimentverplaatsing kan voorspellen, dat heeft al geleid tot een mooie samenwerking. Maar voor een meer industriële toepassing kan het model ook gebruikt worden om bijvoorbeeld de menging van chemische stoffen te verbeteren. We weten nu beter op welke manier je moet schudden voor een optimale menging. En we zijn met de TU/e-vakgroep Colloidal Soft Matter bezig om deze theorie te vertalen naar nanodeeltjes. Zij herkenden in onze collectie patronen hun eigen structuren. Heel interessant om te onderzoeken of we de interacties tussen nanodeeltjes op een vergelijkbare manier kunnen tunen, zodat we nieuwe structuren, materialen en materiaaleigenschappen kunnen ontwikkelen. Deeltjesdynamica brengt zo meerdere vakgebieden in beweging.”