Lichtgevoelige polymeren creëren eigen feedback door zelfschaduw

Honden weten al hoe het moet. Als ze nat zijn, helpt flink schudden om weer droog te worden. Eindhovense chemici maakten een materiaal dat zichzelf ook schoon schudt. De reepjes kunststof wapperen opvallend zand zo van zich af. Handig voor bijvoorbeeld zonnepanelen, zo schrijven ze in Nature.

29 juni 2017

Sommige dingen moet je gewoon zien. Zoals het kruipende reepje kunststof dat chemici van de Technische Universiteit Eindhoven en Kent State University in Ohio (Verenigde Staten) hebben gemaakt. Een rupsachtig wezentje dat onder invloed van blauw licht al golvend zichzelf voortbeweegt. Het heeft niet zozeer een voor- en achterkant die de richting bepalen, maar een boven- en onderkant die dat verschil maken. Draai je het reepje ‘op z’n rug’, dan kruipt het in de andere richting.

Het reepje kunststof is vastgezet in een open raamwerk, ongeveer zo groot als een paperclip. Eerst beweegt het van de lichtbron af. Na omdraaien, kruipt het reepje naar de lichtbron toe. De ordening van de vloeibare kristallen is niet symmetrisch. Dat zorgt voor het verschil in verplaatsing van de golvende beweging. Credits: TU Eindhoven.

Voor het kruipen heeft het reepje geen batterij of andere stroomvoorziening nodig. Alle energie haalt het materiaal uit het licht dat erop schijnt. Het bestaat uit een netwerk van vloeibare kristallen (die ook in beeldschermen zitten) met daarin lichtgevoelige ‘schakelaars’. Deze combinatie wordt veel gebruikt om slimme materialen te ontwikkelen. Ze zijn gevoelig voor een signaal van buitenaf en kunnen hun eigenschappen aanpassen. NEMO Kennislink schreef eerder al over opgerolde reepjes die een gewichtje verplaatsen, spiralen die zich al rollend voortbewegen, kunstmatige zaadpeulen die krachtig uit elkaar barsten en een minuscuul zacht robotarmpje dat blokjes uit de lucht kan grijpen.

Ontspannen door schaduw

Het nieuwe aan de Eindhovense reepjes is dat het licht er continu op schijnt en er toch steeds een verandering in de vorm optreedt. De meeste lichtgevoelige materialen reageren op een lichtsignaal door van vorm te veranderen, maar zolang het licht erop valt, behouden ze die vorm. Pas als het licht uitgaat, neemt het materiaal – vaak heel langzaam – de oorspronkelijke vorm weer aan. Die tweede fase, waarin het materiaal zich weer ‘ontspant’, is nog weinig bestudeerd. Anne Helene Gelebart, promovendus in de groep van hoogleraar Dick Broer (TU Eindhoven) en haar collega’s concentreerden zich juist daarop. Want als je het ontspannen van het materiaal kunt versnellen en sturen, is het mogelijk om een continue beweging te creëren. Ze maakten varianten op de lichtgevoelige moleculaire schakelaar, die heel snel reageren op het uitschakelen van het licht en het materiaal meteen de oude vorm weer laten aannemen.

Je hebt dan nog wel een signaal nodig dat het terugbuigen in gang zet. Dat doet het materiaal zelf: door te vervormen creëert het reepje een stukje schaduw op zichzelf. Dit geeft hetzelfde effect als het uitschakelen van het licht, namelijk het materiaal neemt z’n oude vorm weer aan. Maar dat zorgt ervoor dat een volgend stukje juist weer licht opvangt en weer gaat buigen. Zo krijg je een doorlopende afwisseling tussen buigen en strekken en dat ziet eruit als een golvende beweging. Dit principe van de ‘zelfschaduw’ gebruikten Gelebart en collega’s al eerder om nieuwe variant van de Dutch windmill te maken, een piepklein molentje dat niet door wind, maar door licht wordt aangedreven.

Een rij huizen met zonnepanelen op hun dak. — Even schudden, en klaar! Hoe dat uitpakt op daken, moet nog blijken. Maar het nieuwe materiaal kan helpen om zonnepanelen schoon te houden door zand en andere vervuilingen af te schudden.
Andrewglaser via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Schone zonnepanelen

Door beide uiteinden van het reepje vast te zetten, kun je de golvende beweging gebruiken om allerlei taken uit te voeren. Het reepje kan bijvoorbeeld zichzelf schoon wapperen. Een beetje zand op een uiteinde wordt probleemloos naar de andere kant verplaatst en valt er uiteindelijk af. Als de hoeveelheid zand te zwaar is om meteen mee te vervoeren, bouwt zich spanning op het materiaal op tot een krachtige ontlading die het zand er in een klap afslingert. Dat biedt mogelijkheden voor zelfreinigende materialen, oppert het team. Denk aan zonnepanelen die zelf allerlei vervuiling afschudden. En zo zijn er ongetwijfeld nog veel meer toepassingen te bedenken.

Voor het kruipende rups-reepje uit het filmpje denken ze in Eindhoven aan transport op heel kleine schaal. Bijvoorbeeld in ruimtes die moeilijk toegankelijk zijn. De reepjes zijn namelijk sterk genoeg om ladingen te verplaatsen die groter en zwaarder dan zijzelf. Een hele nieuwe generatie rupsvoertuigen dient zich aan.

Bron:

A.H. Gelebart, et al., Making waves in a photoactive polymer film, Nature 2017, doi:10.1038/nature22987

Reageer