12 juli 2017

In de serie ‘Mind of the Universe’ kwam op 21 mei 2017 het werk van materiaalwetenschapper Joanna Aizenberg aan bod. Begin 2016 sprak ik Aizenberg over haar onderzoek en haar inspiratiebronnen uit de natuur. Lees hier het complete interview.

Je leest:

Dromen van een dynamisch gebouw

Dromen van een dynamisch gebouw

Joanna Aizenberg ziet grote mogelijkheden voor materialen met meerdere functies

Auteur: | 29 februari 2016

Ramen die reageren op de hoeveelheid zonlicht of muren waar geen waterdruppel meer vat op krijgt. Materialenonderzoeker Joanna Aizenberg van de Universiteit van Harvard kijkt naar de natuur en laat haar fantasie de vrije loop. “De natuur heeft oplossingen paraat voor talloze problemen waar wij mee kampen.”

Deze vleesetende bekerplant heeft een extreem glibberig oppervlak waardoor mieren simpelweg naar binnen glijden. Foto gemaakt in de Britse Kew Gardens.

Voor materialen met spectaculaire eigenschappen ben je bij Joanna Aizenberg aan het juiste adres. Haar onderzoeksgroep werkt bijvoorbeeld aan coatings die zorgen voor extreem glibberige oppervlakken. Zo glibberig dat graffiti er voor je ogen vanaf glijdt, dat aangroei op schepen geen kans krijgt of dat bloed niet langer hecht aan medische apparatuur. Ze werkt ook aan oppervlakken waarop druppels niet bevriezen, ook niet als de temperatuur flink onder nul is. Daarnaast ontwikkelt ze optische materialen die zelf controleren welke kleur licht ze uitzenden.

Haar inspiratie haalt ze uit de natuur. Woestijnkevers, zee-egels, vleesetende bekerplanten, diepzeesponzen – overal doet Aizenberg ideeën op. Onlangs hield ze een lezing over de chemie van harige oppervlakken (zie kader) tijdens een symposium van het Institute for Complex Molecular Systems (ICMS) in Eindhoven. Kennislink sprak haar na afloop.

Chemici zijn heel goed in het ontwerpen en maken van allerlei nieuwe moleculen. Waarom is de natuur dan zo’n belangrijke inspiratiebron? “Veel materialen die we nu gebruiken oefenen één functie uit. Ze zijn of heel hard of juist flexibel. Waterafstotend of doorlatend. Maar ze veranderen niet, ze zijn passief. Ik ben heel erg geïnteresseerd in dynamische materialen en dan moet je echt naar de natuur kijken. Daar vind je materialen die verschillende functies uitoefenen. Materialen die zich aanpassen aan de omgeving. Eigenlijk heeft de natuur talloze oplossingen paraat voor problemen waar wij mee kampen.”

Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor of Materials Science, Wyss Institute/Harvard University

Waar bieden dynamische materialen een uitkomst? “Op heel veel terreinen, maar zelf droom ik van een gebouw vol dynamische materialen. Probeer je eens voor te stellen wat er dan mogelijk is. Ramen die reageren op de hoeveelheid zonlicht en dan het licht weren of juist meer doorlaten. Muren waar het water afdruipt als het regent, zodat er geen schimmelgroei of structurele schade optreedt, maar die tegelijkertijd ook ademend zijn. Ramen die een vloeibare laag vormen als het heel koud is, zodat ze niet bevriezen.”

“Het zijn allemaal voorbeelden die enorm helpen om een gebouw langer goed te houden, waardoor je flink bespaart op onderhoud. Ook de temperatuurregeling verloopt veel efficiënter in zo’n pand. Je hebt minder verwarming nodig en minder koeling. Je maakt een gebouw veel duurzamer. En als je nog wat extremer denkt, misschien kunnen we ook wel muren maken die heel snel reageren op een externe impuls. Bijvoorbeeld een afgevuurde kogel. Dat de muur dan razendsnel kogelwerend wordt.”

Filmpje over een nieuwe antifouling coating waardoor niets meer aan een oppervlak hecht, ook niet nadat het oppervlak flink is beschadigd en bekrast. Voor schepen, maar ook gebouwen en bijvoorbeeld medische materialen is het voorkomen van microbiële aangroei of andere vervuilingen heel belangrijk. Minder aangroei betekent dat materialen langer meegaan en minder onderhoud nodig is. (SciNews/Aizenberg lab, Harvard University)

Hoe zorg je ervoor dat zo’n gebouw blijft werken als de materialen zoveel verschillende functies vervullen en gevoelig zijn voor allerlei, vaak tegenstelde, invloeden? Hoe voorkom je dat het een grote chaos van responsen wordt en bewerkstellig je dat de materialen blijven reageren op de gewenste manier? “Je moet de gewenste respons in het materiaal ‘programmeren’. De informatie zit in de bouwstenen van het materiaal zelf. Het heeft geen keus, het moet óf dit óf dat doen. De uitdaging zit veel meer in het combineren van vaak tegenstelde functies. Het is niet eenvoudig om eigenschappen als waterdicht en waterdoorlatend in een materiaal te combineren.”

Via zelfassemblage plakken kunststof nanoharen aan elkaar en vormen gedraaide plukjes ‘haar’. Hier vervoeren ze polystyreen bolletjes van 2,5 mm groot. De opname is gemaakt met een Scanning Electron Microscoop (SEM).

Hoe kom je tot een oplossing als je te maken hebt met meerdere responsen die vaak tegengesteld zijn? Als je met een functie begint totdat die goed werkt en dan de volgende toevoegt, dan loop je toch vast? “Klopt, je kunt niet losse functies optimaliseren en dan alles samenvoegen. Je moet vanaf de start de complexiteit, dus alle randvoorwaarden en vereisten, meenemen. Het heeft geen zin de optimale condities per functie te bepalen, maar je moet naar de optimale combinatie zoeken voor alle functies binnen alle randvoorwaarden. Dat levert niet de perfecte oplossing voor iedere functie apart, maar dat is niet relevant. Wat je nodig hebt is de beste oplossing voor die specifieke combinatie van functies.”

Impressie van SLIPS: Slippery Liquid-Infused Porous Surface. Een poreuze laag van vezels is omhuld met een vochtige, afstotende laag.
James C. Weaver, Peter Allen

Hoe breng je dynamiek in op de schaal van moleculen? “Door te werken op het supramoleculaire niveau, dus de interacties tussen moleculen die niet covalent aan elkaar gebonden zijn. Het onderzoek binnen het ICMS hier in Eindhoven is daarom heel inspirerend voor mij. Het laat zien wat je allemaal kunt bereiken als je gebruik maakt van niet-covalente interacties. Het levert enorm veel mogelijkheden op om met dezelfde moleculen heel verschillende structuren te vormen die weer verschillende eigenschappen laten zien.”

Uw onderzoek speelt zich vooral af op de nanoschaal. Hoe kansrijk is het dat we dit kunnen opschalen naar het niveau van een compleet gebouw? “De kern zit ’m in het begrijpen welke eigenschappen cruciaal zijn en welke niet en je dan te concentreren op de controle van die bepalende eigenschappen. Ik ben ervan overtuigd dat het makkelijker is om naar een grotere schaal te gaan dan om te begrijpen hoe we gedrag van materialen op de nanoschaal kunnen voorspellen. Daar zit de echte uitdaging wat mij betreft.”

Harige chemie

Een van de onderwerpen binnen het Aizenberg lab is zelfassemblage op ‘harige’ oppervlakken. De voeten van de gekko zijn een bekend voorbeeld van een harig oppervlak; de grote hoeveelheden minuscule haartjes op de gekkopoot zorgen voor een enorme kleefkracht, waardoor het dier zonder problemen tegen muren en over plafonds kan lopen. Een ander voorbeeld is de woestijnkever, die structuur van de haartjes op zijn poten kan aanpassen zodat hij op zowel droge als natte oppervlakken voldoende grip houdt.

Aizenberg heeft synthetische oppervlakken gemaakt met daarop ‘haren’ op nanoschaal. De lengte van de haren blijkt een belangrijke factor, zijn die lang genoeg dan ‘plakken’ de toppen aan elkaar. Twee aan elkaar geplakte haren kunnen dan weer aan een ander duo plakken, waardoor je een tetrameer krijgt; een plukje van vier haren. Omdat de haren in zo’n plukje proberen hun onderlinge contact te vergroten, ontstaat er een draaiing in de structuur van het plukje.

Door de condities op een oppervlak te veranderen, gaan de haren op een gecontroleerde manier bewegen en zijn ze in staat om bijvoorbeeld een deeltje vast te houden en weer los te laten, zodat een volgend plukje haar het deeltje bindt. Zo verplaatst een deeltje (een kunstof bolletje, een druppel, een cel) zich over een oppervlak.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 februari 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.