Handige helices

Ieder nieuw technologisch tijdperk begint met een doorbraak in de materialen die we gebruiken of leren gebruiken. Dat is althans de visie van prof.dr. Nathalie Katsonis, adjunct hoogleraar Bio-inspired and Smart Materials aan de Universiteit Twente/MESA+ Instituut voor Nanotechnologie. “Als we naar die tijdperken kijken, zien we dat ze elkaar steeds sneller opvolgen. Het Stenen Tijdperk duurde 20.000 jaar, de Bronstijd 2.000 jaar en het plastic tijdperk ongeveer honderd jaar. En de ontwikkelingen in het huidige siliciumtijdperk beginnen vertraging te vertonen, nadat het twintig jaar een enorme aanjager van innovatie is geweest.”

Het belangrijkste kenmerk van slimme materialen is dat ze zich kunnen aanpassen aan hun omgeving, die constant in verandering is. Dat betekent bijvoorbeeld dat dat ze zelfreinigend en zelfhelend kunnen zijn. “Ik gebruik als voorbeeld vaak een omschrijving van de Britse schrijver Philip Ball, waarin hij verwijst naar de Terminator II-film. Een van de Terminators wordt in de film omschreven als opgebouwd uit nanomaterialen die actief de moleculen herkennen waarmee ze in contact komen en deze vervolgens mimicken, nabootsen. Dat zijn smart materials ten voeten uit.” Overigens hoeven we niet naar science fiction te vluchten om slimme materialen te ontdekken. Ze zijn overal om ons heen. De natuur zit er vol mee.

“In veel bewegingen van planten zien we sterke associaties met de structuur van een helix. De manier waarop uitlopers van de komkommer zich krommen, zaadpeulen zich draaien of kafnaalden van tarwe zich ingraven in de grond: het zijn allemaal helices.” De vorming van deze natuurlijke helices berust op een gemeenschappelijk principe. De twee uiteinden zijn loodrecht op elkaar georiënteerd. Als het tussenliggende materiaal opzwelt door water of juist krimpt, ontstaat er stress in het materiaal. Die stress zoekt een uitweg en dat leidt tot kromming en uiteindelijk tot een helix. Op deze manier bouwen planten spanning op in het materiaal en dat levert kracht voor een latere beweging.

In de onderzoeksgroep van Katsonis werken ze aan het nabootsen van dit helix-principe om nieuwe materialen te maken die mechanische eigenschappen bezitten. Of beter nog: materialen die mechanische krachten kunnen uitoefenen en daardoor arbeid verrichten. Als bouwstenen gebruiken de onderzoekers lichtgevoelige vloeibare kristallen, die we kennen uit beeldschermen. Vloeibare kristallen zijn lange, beweeglijke moleculen. Ze kunnen aan elkaar gaan binden tot een netwerk en dat doen ze het liefst op een geordende manier.
Katsonis vergelijkt het met een school vissen: “De vissen zitten niet zoals in een echt kristal op exact dezelfde afstand van elkaar, maar ze kijken allemaal wel in dezelfde richting.” Die behoefte aan ordening kun je gebruiken om het materiaal te laten vervormen.

Kromming

Door de vloeibare kristallen in een vorm – bijvoorbeeld een dunne laag – te gieten en er vervolgens licht op te schijnen, gaat de netwerkvorming van start. “We maken gebruik van de gevoeligheid van vloeibare kristallen voor ruimtelijke beperkingen. We zorgen ervoor dat de oriëntatie van de moleculen aan de bovenkant loodrecht staat op die op de onderkant. Als we dan de netwerkvorming in gang zetten, hebben de moleculen minder ruimte om te bewegen waardoor het materiaal samentrekt. Maar die samentrekking verschilt aan de boven- en de onderkant en daardoor creëren we een kromming die uiteindelijk een spiraalvorm oplevert.”

Door een lichtgevoelige moleculaire schakelaar in te bouwen kun je meer eigenschappen in het materiaal coderen. Zo’n schakelaar-molecuul bindt aan de ketens in het vloeibare kristallen-netwerk. Onder invloed van licht verandert de ruimtelijke structuur van het molecuul. Het molecuul trekt aan de ketens in het netwerk waardoor de ordening in het netwerk verandert. Dat willen de vloeibare kristallen compenseren en dat zorgt voor een vormverandering in het hele systeem.

Krachtig

Maar om deze slimme materialen in te zetten in praktische toepassingen moeten ze nog iets meer kunnen. Mechanische arbeid verrichten bijvoorbeeld. De vormverandering in een helixreepje blijkt krachtig genoeg om een klein gewichtje te verplaatsen. Als de helix zich onder invloed van UV-licht strakker oprolt, wordt het gewichtje meegetrokken. Schakel je het UV-licht uit, dan ontrolt de helix weer. Deze beweging is bovendien vele malen omkeerbaar. De helix blijft sterk genoeg om de beweging in beide richtingen uit te voeren. “Met dit principe laten we zien dat het mogelijk is om een respons op moleculaire schaal om te zetten in een controleerbaar effect op macroscopische schaal. Dat biedt veel mogelijkheden om geheel nieuwe, biogeïnspireerde slimme materialen te ontwikkelen”, aldus Katsonis.

Peulen

Nieuwe ideeën heeft ze volop. “Dit was allemaal gebaseerd op de uitlopers van de komkommer. Ook heel interessant is de beweging van zaadpeulen en de spanning die daarin wordt opgebouwd. De peulen zijn in staat om heel snel die spanning om te zetten in een krachtige, abrupte beweging. Hoe sneller je die beweging maakt, hoe meer vermogen je genereert uit dezelfde hoeveelheid inspanning. Dat proberen we nu na te bootsen in een kunstpeul en het lijkt erop dat dit gaat lukken.”