Meta-materialen maken met 3D-origami

Een beetje knutselen met stukjes karton en plakband. Ook daarmee kun je anno 2017 een wetenschappelijk toptijdschrift als Nature halen. Toegegeven, het onderzoek van AMOLF -onderzoeker Bas Overvelde en zijn collega’s van Harvard had wel meer dan dat om het lijf, maar de kartonnen bouwsels die op een wonderlijke manier van gedaante kunnen veranderen, geven de essentie van hun werk adequaat weer.

Elk van die 28 bouwstenen breidden ze uit met extra zijvlakken (extrusion) om ruimte tussen de bouwstenen te scheppen. Als je nu de ruimte volstapelt met deze uitgebreide bouwstenen, en toelaat dat de extra vlakken scharnieren om de verbindingslijnen, krijg je in sommige gevallen een – in theorie onbegrensd – materiaal waarvan alle bouwstenen tegelijk in een of twee richtingen kunnen draaien.

Het resultaat hangt af van welke zijvlakken je plaatst. Als je alle mogelijkheden uitprobeert, blijken de meeste structuren gewoon stijf te zijn, maar sommige beschikken over een verbazingwekkende bewegingsvrijheid. Overvelde en zijn collega’s geven in het artikel ook een formele, wiskundige beschrijving van de theorie achter deze constructies, maar in de praktijk zijn ze letterlijk begonnen met schaar, karton en plakband. Overvelde: “In dit onderzoek kijken we naar de vorm, onafhankelijk van de schaalgrootte. Sommige van deze constructies zijn door Hoberman gebouwd met bouwstenen van vier meter. Maar het zouden ook moleculen kunnen zijn.”

Pootjes van gekko’s

Het onderzoek is bijna pure wiskunde, maar de motivatie is natuurkundig. De laatste jaren is er veel belangstelling voor meta-materialen, die hun eigenschappen niet ontlenen aan de chemische samenstelling, maar aan hun structuur. Een bekend voorbeeld uit de natuur zijn de pootjes van gekko’s: die kleven aan alles omdat ze bedekt zijn met microscopisch kleine haartjes die uiterst indringend contact maken met een oppervlak. Een kunstmatig voorbeeld zijn coatings die extreem waterafstotend zijn dankzij een microscopisch patroon op hun oppervlak. Het doet er weinig toe uit welk materiaal de coating bestaat, als het patroon maar klopt.

Tussen macro- en nano- in zit de ‘meso-schaal’, waarbij de structuur nog met een microscoop zichtbaar is. Zo kunnen exotische lenzen – voor optische of microgolfstraling – gemaakt worden, en als er ooit een echte onzichtbaarheidsmantel komt, zal die vast gebruik maken van meta-materialen met een structuur op mesoschaal.