Een gevouwen vel papier houdt een vouw vast. Zelfs als je het ontvouwt, blijft die geschiedenis bestaan. Het is een basisvoorbeeld van materieel geheugen. Microscopische structuren houden informatie vast over hoe ze werden samengedrukt, uitgerekt of geroerd.
Dit zijn niet alleen natuurkundetrivia. Als we begrijpen hoe deze markeringen ontstaan, kan dit de manier veranderen waarop we materialen ontwerpen die op hun omgeving reageren. Het zou ook kunnen dienen als een fysiek model voor de neurowetenschappen. Hoe overschrijft het kortetermijngeheugen het langetermijngeheugen? Een suspensie van deeltjes in een dikke vloeistof lijkt een letterlijk antwoord te bieden.
Onderzoekers van Penn State ontdekten dat twee concurrerende herinneringen naast elkaar kunnen bestaan in eenvoudige opschortingen. Ze vechten. Ze veranderen elkaar. En soms doodt de een de ander.
Wanneer herinneringen botsen
Het onderzoek richt zich op niet-Browniaanse suspensies. Denk aan chocoladesiroop of nat beton. Grote deeltjes drijven in een stroperige vloeistof. Ze zijn te zwaar voor de Brownse beweging – de zenuwachtige dans aangedreven door thermische energie. In plaats daarvan wordt hun beweging gedicteerd door externe krachten. Roeren. Schudden.
Eerder onderzoek toonde aan dat deze mengsels specifieke gegevens behouden. Als je ze roert, wordt er een gericht geheugen ingeprent. Door ze heen en weer te wiegen, wordt de amplitude of kracht van die beweging geregistreerd. Tot nu toe werd elke herinnering afzonderlijk bestudeerd.
Surendra Padamata, de hoofdstudente van het project, zei het botweg: “Als je een bestand op je computer opslaat, heeft dat nieuwe geheugen geen invloed op andere bestanden die al aanwezig zijn. Maar in de neurowetenschappen weten we dat een langetermijngeheugen in de loop van de tijd kan veranderen.”
Denk eens aan een boek dat in de adolescentie wordt gelezen. Het is dan een eenvoudig verhaal. Lees het decennia later, nadat het leven je kijk ingewikkeld heeft gemaakt en de lagen veranderen. Nieuwe kortetermijnervaringen herschrijven de interpretatie van oude gegevens.
Het team wilde kijken of materie zich zo gedraagt. Kan een materiaal zich herinneren waar het werd geduwd en hoe hard? En wat gebeurt er als die herinneringen met elkaar in conflict komen?
Het verleden wissen
Het antwoord ligt in de intensiteit.
In experimenten gepubliceerd in Physical Review Letters – en geselecteerd als suggestie van een redacteur – brachten de onderzoekers eerst de opschorting aan het licht. Dit zorgde voor een directioneel record. Vervolgens schudden ze het mengsel met verschillende intensiteiten.
Door zachtjes heen en weer te wiegen konden beide herinneringen overleven. De ophanging herinnerde zich de eerste beweging en de zachte oscillatie.
Maar de verwarming hoger zetten? Letterlijk: de motie.
Naarmate het schommelen sterker werd, begon het richtingsgeheugen te vervagen. Het verzwakte niet alleen. Het verdween. Op een bepaalde drempel wiste de nieuwe beweging het vorige pad volledig uit, waardoor de ophanging terugkeerde naar een perfect symmetrische, lege staat.
“Voorbij die drempel begint het schommelen zelf een nieuw richtingsgeheugen te vormen,” merkte Padamata op. Het oude record was verdwenen. De nieuwe nam het over.
Waarom concurrentie plaatsvindt
Waarom verwijdert de ene herinnering de andere? Het team stelt een eenvoudige mechanische reden voor: de frequentie van contact.
Bij zwak schommelen botsen deeltjes niet vaak genoeg tegen elkaar om de bestaande structuur te verstoren. Beide herinneringen blijven bestaan.
Maar sterke schommelende krachten zorgen voor frequente, gewelddadige ontmoetingen. De deeltjes verwarren de configuratie te snel om door de oudere directionele geschiedenis te kunnen worden vastgehouden. Het systeem wordt gereset.
Deze limiet op de geheugencapaciteit kan universeel zijn. Het komt niet alleen voor in vloeistoffen. Nathan Keim, universitair hoofddocent en teamleider, wijst erop dat vergelijkbare directionele en amplitudeherinneringen voorkomen in zachte brillen en korrelige verpakkingen. Deze materialen hebben enorm verschillende microscopische fysica. Toch delen zij deze beperking.
Wanordelijke materie lijkt een beperkte archiefkast te hebben. Het kan geen oneindige concurrerende invoer sorteren.
Voorbij de laboratoriumbank
De implicaties reiken veel verder dan natuurkundetijdschriften.
Keim suggereert dat deze bevindingen het biologische geheugen zouden kunnen modelleren. Of misschien geofysica. Stel je gesteentelagen voor die ‘herinneringen’ bewaren aan temperatuurverschuivingen of trillingen uit het verleden. Kunnen deze interne markeringen aardbevingsrisico’s voorspellen? Zinkgat stort in?
Als rotsen zich herinneren, kunnen we die gevaarlijke herinneringen misschien uitwissen. Mogelijk vinden we een manier om de druk te herstellen, het geologische risico te verminderen of betere voorspellende modellen te bouwen voor gebieden die gevoelig zijn voor rampen.
Het Human Frontier Science Program financierde dit onderzoek naar de koppigheid van materie. De resultaten zijn grimmig. Het geheugen in de materie is geen statisch archief. Het is een slagveld.
En soms wint de luidste stem.
