Snelle stappen in het trappenhuis. Schoenen beuken schel tegen ijzer. Het is vochtig en benauwd. James Bond voelt zijn adem als een natte waslap terug in zijn gezicht slaan. Van boven doordringt flauw licht zwakjes het duister van de schacht. Als een schimmenspel werpt het schaduwen door het opengewerkte metaal van de trap. Onder Bonds voeten verdwijnen de verdiepingen met drie treden tegelijk de diepte in. Eindelijk boven! Achter hem verschijnen de eerste koppen van zijn achtervolgers. Bonds hart klopt in zijn keel. Zijn ogen schieten heen en weer. Vijfentwintig verdiepingen hoog en nergens een deur, nergens een uitweg. Alleen tien meter boven hem; een luik. Veel te hoog om te springen, geen ladder of kast om te beklimmen. Maar James Bond lijkt ineens zijn rust te hervinden. Kalm draait hij zich om en grijnst naar zijn belagers. ‘Good day, gentlemen’, zegt hij met een twinkeling in zijn ogen. Dan neemt hij een sprong, zet zijn voeten plat tegen de muur en rent zo tegen het verticale steen op omhoog. Hij spiedt verder langs het plafond, opent het luik, en verdwijnt voorgoed uit het zicht.
De gadgets die James Bond in zijn films gebruikt helpen hem altijd op cruciale momenten uit de brand. Helaas is dit voor de kijker slechts science-fiction, niet beschikbaar voor de gewone mens. Of toch wel? Een apparaatje waarmee je over plafonds kan rennen lijkt nu ook in het echte leven realiteit te worden.
De Hemisphaerota cyanea, Latijn voor ‘blauwe halve bol’, is een kever van slechts een halve centimeter groot. De Latijnse naam is treffend gekozen, want de kever is glimmend paarsblauw en tonnetjerond. Hij huist in het warme Florida, waar hij van sappige palmbladeren leeft. Op het eerste gezicht ziet hij er weinig imponerend uit, maar schijn bedriegt; deze kever bezit een wonderlijk verdedigingsmechanisme. Aan de relatief grote poten van deze blauwe halvebol-kever zitten in totaal zo’n 60.000 borstelhaartjes. In elk van die haartjes zitten twee gaten. Door deze gaten kan de kever zich met behulp van een lichaamseigen olie ijzersterk vastkleven aan een blad.
Kever in nood
Tien jaar geleden deden Thomas Eisner en Daniel Aneshansley van de Cornell University in New York onderzoek naar het kleefmechanisme van de Hemisphaerota cyanea. Als de kever gewoon een blokje om loopt raakt slechts een klein deel van zijn borstelhaartjes het grondoppervlak. Maar bij een aanval drukt hij zijn poten plat neer, waardoor al zijn haartjes contact maken met de ondergrond. Zo zuigt hij zich vast in tijden van nood.
“De kever gebruikt zijn kleefkracht om zich te beschermen tegen vijandelijke mieren,” vertelt Paul Steen. Hij is professor chemical and biomolecular engineering aan de Cornell University. Paul Steen en Michael Vogel ontwikkelden met de blauwe halvebolkever als voorbeeld een apparaatje, dat zich binnen een seconde aan andere oppervlakken kan hechten en onthechten. Het apparaatje heet de SECAD (switchable electronically-controlled capillary adhesion device), en is zo groot als een rolletje plakband. Begin februari publiceerden de twee onderzoekers op de website van Proceedings of the National Academy of Sciences een artikel over hun uitvinding.
Druppelschakelaar
Paul Steen en Michael Vogel werken samen aan de Cornell University in New York. Eén van de onderwerpen waar de twee zich in verdiepen is elektro-osmose. In 2005 behaalden ze hun eerste grote overwinning op dit gebied met de ontwikkeling van de elektro-osmotische druppelschakelaar. Dit systeem bestaat uit een elektro-osmosepomp, die vloeistofdruppeltjes heel precies kan besturen met slechts een klein beetje stroom. Steen en Vogel vonden een mogelijke toepassing van dit systeem, gebaseerd op een kleine kever. Plannen voor vervolgonderzoek waren snel gemaakt.
De SECAD is het technische antwoord op de poten van de blauwe halvebol-kever, waarin spierkracht de druppeltjes bestuurt. Het apparaatje bestaat uit drie lagen: de onderste laag bevat het waterreservoir, de middelste laag bestaat uit poreus glas en de bovenste laag bevat miniscule gaatjes die de druppelvorm afdwingen. Aan weerszijde van de middelste glaslaag bevinden zich twee elektroden, die samen de elektro-osmosepomp vormen. Deze werkt volgens dezelfde principes als de reeds ontwikkelde elektro-osmotische druppelschakelaar. De pomp zet het proces van hechting en onthechting in werking, door met een klein voltage het water naar de openingen van de bovenlaag te pompen.
Electro-osmose
Elektro-osmose: dit natuurlijke proces is de drijvende kracht achter de SECAD. Tussen de buitenste twee kleilagen zit een tunnel met water. De klei is aan het tunneloppervlak negatief geladen. Positieve ionen uit het water worden hierdoor naar de kleiwand getrokken. Een negatieve elektrode (rechts) trekt deze ionen aan, waardoor het water naar rechts stroomt.
Ruim 200 jaar geleden werd het proces van elektro-osmose ontdekt door de Rus Fedor Reuss. Als water zich in een laag klei bevindt kan het door de kleine tunneltjes van het materiaal stromen. Op het figuur hierboven is zo’n opening te zien. Mineralen, zoals ook klei en zand, krijgen een negatief geladen oppervlak als ze in contact komen met water. Omdat negatief geladen deeltjes positieve deeltjes aantrekken verzamelen de positieve ionen uit het water zich richting de rand van het tunneltje. Als je nu een elektrisch veld over dit systeem zet verplaatsen de positieve ionen aan de randen van de tunnel zich massaal richting de kathode, de negatief geladen pool. Door de migratie van al die deeltjes wordt het water in het midden van de tunnel meegesleurd.
De pomp van de SECAD werkt op dezelfde manier. De onderzoekers hebben voor hun apparaatje in plaats van klei gebruik gemaakt van een laagje poreus glas.
Het geheim van de kever
Het geheim van de blauwe halvebol-kever zit hem in het aantal druppeltjes dat hij op zijn poten vormt. Deze druppels hechten zich stevig aan het oppervlak met behulp van oppervlaktespanning. Als het regent valt het water in druppels naar beneden. Dat een vloeistof als een druppel bijeen blijft komt doordat alle moleculen elkaar aantrekken. Omdat er in de lucht weinig moleculen te vinden zijn trekken de watermoleculen aan het druppeloppervlak extra sterk naar elkaar toe, en behouden zo hun bolvorm. Dit wordt oppervlaktespanning genoemd. Deze spanning zorgt er ook voor dat het oppervlak van een waterdruppel zich aan een ander oppervlak bindt. Een ander oppervlak heeft veel moleculen, in tegenstelling tot lucht. Dus trekken de moleculen van druppel en materiaal elkaar aan en binden. Hoe meer moleculen hoe meer vreugd.
“De oppervlaktespanning van één druppel is niet erg sterk,” legt Paul Steen uit, “maar alle druppels bij elkaar zorgen voor een zeer krachtige binding.” Zó sterk zelfs, dat de kever in staat is zich aan een blad vast te klampen met een kracht die honderd keer groter is dan die van zijn eigen gewicht. De kever kan zich vervolgens binnen een seconde weer losmaken door simpelweg de druppels terug in zijn pootjes te trekken.
1000 Gaatjes
De Cornell-onderzoekers hebben de SECAD de afgelopen maanden aan verschillende tests onderworpen. Bij deze tests wordt de kracht en hechtingstijd van het apparaatje gemeten. Op het filmpje hieronder is te zien hoe de SECAD tegen de onderkant van een glasplaat wordt gehouden, en zich vastplakt zodra er in 1/10 van een seconde stroom op wordt gezet. Vervolgens tellen we mee terwijl er 73 paperclips aan een haakje worden gehangen, met een totaalgewicht van ruim 30 gram. Het apparaatje dat dit voor elkaar kreeg was gemaakt met zo’n 1000 gaatjes, elk 0.3 millimeter groot. Hoe meer druppels er op een oppervlak zitten, hoe krachtiger het apparaat. Steen en Vogel berekenden dat een apparaatje van 1 cm2 met gaatjes van 1 micrometer al bijna anderhalve kilo kan dragen.
De SECAD is een ontzettend energiezuinig apparaat, laten Steen en Vogel in hun online gepubliceerde artikel weten. De waterdruk in het apparaatje is zowel in gebonden als in ongebonden staat in evenwicht. Dit betekent dat er alleen maar energie nodig is om de druppels te vormen en los te maken, en niet om ze in stand te houden.
Spiderman
Steen en Vogel hebben het idee om het water in de SECAD te omhullen met een heel dun membraan, waardoor de druppels geen binding aangaan met een aangrenzend oppervlak. Op deze manier kan het apparaatje op een heel andere manier gebruikt worden. Door druppels te vormen ontstaat nu een enorme duwkracht naar buiten. Zo zou je een apparaatje met de grootte van een credit card in rotsspleten kunnen steken, om de steen vervolgens met een klein stroompje in tweeën te splijten. Op eenzelfde manier kan je het apparaat tussen deur en deurpost plaatsen, en deze in een fractie van een seconde open krikken.
Stickybot
Steen en Vogel zijn niet de eerste wetenschappers die werden geïnspireerd door een dier. In de zoektocht naar kleefmechanismen zijn verschillende beesten de revue gepasseerd. Eén bekend voorbeeld is de gekko. Deze hagedissen hebben kleine haartjes aan hun poten met een spatelvormige punt. Deze haartjes lopen zó klein uit dat ze op moleculair niveau bindingen aangaan met het grondoppervlak.
In 2006 werd de Stickybot ontworpen, een robot die op dezelfde manier als de gekko aan muren kleeft. Dit systeem heeft als voordeel dat er geen vloeistoffen of andere materialen nodig zijn om de robot te laten plakken. Een nadeel is echter dat de robot niet zomaar los kan laten. De poten zitten direct vast bij contact met een ander oppervlak. Om ze weer los te krijgen moet de poot zich onder een hoek van 30 graden naar boven bewegen.
De Amerikaanse wetenschappers zien veel mogelijkheden voor de toepassing van hun SECAD. Een voorbeeld is een supersterk apparaatje ter grootte van een Post-it, die met boodschappentas en al aan de koelkast kan worden geplakt. “Dit soort toepassingen hebben veel baat bij onze kleefstrategie,” melden Steen en Vogel. Maar ze denken zelfs al een stap verder. In het artikel over hun onderzoek praten ze over kleefwanten en kleefschoenen. Met die aan je handen en voeten wandel je werkelijk als een Spiderman over het plafond.
Bron
- Michael J. Vogel en Paul H. Steen, Capillarity-based switchable adhesion, Proceedings of the National Academy of Sciences (2009).