Explosieve beweging van zaadpeulen nagebootst in lichtgevoelig materiaal

Tak-tak-tak! Uit het niets barst het geschut los. De kogels vliegen je om de oren. Dan opeens: BAM! Ook nog een explosie. En dat terwijl je dacht een rustgevende wandeling in de natuur te gaan maken. Want deze scène speelt zich niet af in een actiefilm, maar in de zo vreedzaam ogende plantenwereld. Vergeet die beeldige bloemen, elegant wuivende pluimen en rustieke stammen. Wie beter kijkt ziet verstikkende uitlopers en exploderende zaadpeulen. Planten grijpen, klimmen, slingeren en smijten dat het een lieve lust is.

Maar waar komen die krachtige bewegingen in planten vandaan? Bij gebrek aan spieren moeten ze een andere manier hebben om spanning op te bouwen en op het juiste moment los te laten. Die spanning ontstaat door vervorming van het materiaal. In bijvoorbeeld zaadpeulen zitten rigide en flexibele structuren bij elkaar in hetzelfde weefsel. Als de peul langzaam uitdroogt, verandert de samenstelling van de flexibele delen, waardoor ook de vorm verandert. Maar de rigide delen houden hun vorm juist vast. Dat zorgt voor spanning tussen de twee helften van de peul, die ieder in tegengestelde richting vervormen. Wordt de spanning te groot, dan barst de peul met geweld open, waardoor de zaden ver weg worden geslingerd.

Chemici en nanotechnologen van de Universiteit Twente is het nu gelukt om dit principe na te bootsen. Daarvoor gebruikten ze een responsief materiaal gemaakt van vloeibare kristalpolymeren met daarin een lichtgevoelige schakelaar. Deze schakelaar is een molecuul dat onder invloed van licht ‘omklapt’, waardoor het een andere structuur krijgt. Responsieve of ‘slimme’ materialen kunnen reageren op een extern signaal, in dit geval licht, door hun structuur en functie aan te passen. De uitdaging bij het ontwerpen en maken van zo’n slim materiaal is dat een structuurverandering op moleculaire schaal moet zorgen voor een effect op een veel grotere schaal.

Streepjespatroon

Onderzoeksleider Nathalie Katsonis, adjunct-hoogleraar Biogeïnspireerde en moleculaire materialen aan de Universiteit Twente, bouwt samen met haar team voort op hun eerdere werk. Daarin lieten ze zien dat dunne reepjes van dit materiaal een helix vormen die onder invloed van licht zichzelf strakker oprolt of juist losser wordt. De krachten die dit opwekt zijn sterk genoeg om een gewichtje te verplaatsen. Een verandering op moleculaire schaal in het materiaal is dus in staat om een effect op veel grotere schaal te bewerkstelligen. NEMO Kennislink schreef al eerder over dit onderzoek van Katsonis.

Om in het materiaal afwisseling te krijgen tussen flexibele en rigide delen, leggen de onderzoekers een raster met een streepjespatroon over een dunne laag vloeibare kristalpolymeren. Vervolgens laten ze er licht op schijnen, waardoor in de blootgestelde delen de lichtgevoelige schakelaars worden geactiveerd. Hierdoor verandert de moleculaire structuur van de schakelaar, en ontstaat een vormverandering in dit deel van het materiaal. Deze delen worden op deze manier rigide.

Explosieve ontlading

Vervolgens knippen de onderzoekers twee reepjes uit de dunne laag en ‘plakken’ die aan elkaar. Een natuurlijke zaadpeul bestaat uit twee helften die op elkaar passen zoals een linker- en rechterhand. Dat spiegelbeeldeffect bootsen ze na door te zorgen dat in de twee helften het streepjespatroon precies tegengesteld loopt. Door er vervolgens weer licht op schijnen treedt een structuurverandering op in de delen die eerder nog niet blootgesteld waren aan het licht. Maar doordat de andere delen nu rigide zijn, wordt deze tweede structuurverandering moeilijker. Er ontstaat spanning en daarmee vervorming in het materiaal die in de beide helften precies tegengesteld is. En net als bij de natuurlijke zaadpeul, ontlaadt die spanning zich op een gegeven moment met een explosieve beweging, waarbij beide helften krachtig uit elkaar klappen.

“Met de helices hebben we laten zien dat een moleculaire schakelaar in staat is om energie uit licht om te zetten in beweging of arbeid”, vertelt Katsonis. “Met onze kunstmatige zaadpeul laten we zien dat een moleculaire verandering ook in staat is om die lichtenergie om te zetten in een explosieve krachtsuitbarsting. De spanning wordt langzaam opgebouwd en ontlaadt zich dan in heel korte tijd. Dit is een stap richting het creëren van materialen die spanning kunnen opbouwen en loslaten zoals ook spieren dat doen. Ik zie niet direct een praktische toepassing van onze zaadpeul, maar het onderliggende principe helpt ons zeker op weg naar mechanismen waarmee we complexe vormveranderingen in gang kunnen zetten. Bijvoorbeeld om toe te passen in soft robotics; ‘robots’ gemaakt van zachte materialen.”