Patroonvorming

Patroonvorming is een verzamelterm voor processen waarbij ruimtelijk gestructureerde patronen plotseling ontstaan in systemen zonder dat die op voorhand in die vorm zijn vastgelegd. Deze patronen kunnen voorkomen op moleculair, cellulair, organisme- of materiaalniveau en ontstaan uit interacties tussen onderdelen van het systeem.

Historisch gezien werd patroonvorming nieuw leven ingeblazen door Alan Turing, die in 1952 een reactie-diffusie-model voor morphogenese voorstelde: chemische stoffen die elkaar diffunderen en via feedback patronen genereren. Sindsdien zijn activator-inhibitor modellen en algemene morphogenesetheorie ontwikkeld.

De kernmechanismen zijn onder meer reactie-diffusieprocessen waarin twee of meer chemische soorten met verschillende diffusiesnelheden elkaar beïnvloeden; autonome versterking (activator) en remming (inhibitor) leveren golflengte-gebonden patronen op. Daarnaast kunnen mechanische factoren, chemische gradaties, chemotactische bewegingen of fasentechnische processen eveneens patroonvorming veroorzaken.

In de biologie zien we vlekken en strepen op dierenhuiden, schubben en bladpatronen, evenals schelpenbanden. In de chemie leveren Belousov-Zhabotinsky-reacties vaak spirale en golffrontpatronen; in vloeistoffen ontstaan convectiepatronen zoals Bénard-cellen; in materialen is zelforganisatie een algemene bron van patronen.

Methode: wiskundige modellering met partiële-differentialvergelijkingen, lineaire stabiliteitsanalyse en computer-simulaties; experimentele opzetten in chemische en biologische systemen. Patroonvorming is relevant voor ontwikkeling, biomimetische materialen en tissue engineering, omdat het inzicht biedt in hoe complex geordende structuren ontstaan en gecontroleerd kunnen worden nagebootst.