Je leest:

Handige helices

Handige helices

Uitlopers van komkommerplanten zijn inspiratiebron voor slimme materialen

Auteur: | 5 februari 2016

Het tijdperk van de slimme materialen dient zich aan. Dat stelt Nathalie Katsonis van de Universiteit Twente: “Slimme materialen zijn materiaal en apparaat ineen.” Geïnspireerd door de uitlopers van komkommerplanten en de vorm van zaadpeulen creëert ze helixvormige materialen die zelfstandig kunnen bewegen en objecten kunnen verplaatsen.

Op 8 december 2016 is de NWO Athena-prijs uitgereikt aan Nathalie Katsonis, adjunct hoogleraar Bio-inspired and Smart Materials aan de Universiteit Twente. Met deze prijs wil onderzoeksfinancier NWO Chemische Wetenschappen de aandacht vestigen op vrouwelijke chemici die binnen tien jaar na hun promotie excellente resultaten hebben neergezet. Het onderzoek van Katsonis richt zich op de ontwikkeling van een nieuwe klasse materialen, de zogeheten slimme materialen die in staat zijn te reageren op signalen uit de omgeving en hun functies daarop aan te passen. NEMO Kennislink schreef in februari van dit jaar over het werk van Katsonis.

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.”

Speerpunten en bijl van brons
Speerpunten en een bijl van brons. De ontdekking hoe je brons kon maken en verwerken leverde een enorme uitbreiding van de mogelijkheden om gebruiksvoorwerpen en wapens, maar ook sieraden en ornamenten te maken. Collectie Gäubodenmuseum in Straubing (Duitsland).

Daarmee bedoelt Katsonis niet dat deze materialen geen rol meer spelen. Steen, brons, kunststoffen en silicium gebruiken we nog steeds in grote mate en ze zijn niet weg te denken uit het dagelijks leven. Het gaat haar om het innovatieve karakter en de manier waarop we materialen bewerken en verwerken. “Daarom vind ik dat silicium niet meer voorop loopt, in termen van innovatie op materiaalniveau is de Silicon Age alweer voorbij.”

Voorgeprogrammeerd

Het volgende tijdperk dient zich volgens Katsonis in hoog tempo aan. Het tijdperk van de slimme materialen, vaak aangeduid als smart materials. Om te begrijpen wat een materiaal ‘slim’ maakt, moeten we er op een nieuwe manier naar kijken. Katsonis: “Tot nu toe denken we bij een materiaal aan iets passiefs. Iets dat door ons wordt gebruikt om een apparaat in elkaar te zetten. Pas dan kan het materiaal iets gaan ‘doen’. Maar dat is achterhaald. Smart materials zíjn het apparaat. Ze zijn materiaal en functie ineen, omdat ze als het ware voorgeprogrammeerd zijn om iets te doen. Bij voorkeur iets nuttigs.”

T 1000 robot
T-1000, de geavanceerde terminator uit de film Terminator 2: Judgement Day (1991) hervormt zichzelf weer na voor de zoveelste keer tevergeefs te zijn ‘vernietigt’.

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.

Orange tree 1149584 1920
Bladeren zijn een goed voorbeeld van slimme materialen.

“Neem een blad van een boom. Dat is zelfreinigend en zelfhelend, maar het is ook een apparaat, namelijk een zonnecel.” Veel natuurlijke materialen hebben dit soort slimme eigenschappen, aldus Katsonis. “Ze reageren op hun omgeving en kunnen mechanische processen uitvoeren, zoals bewegen of objecten verplaatsen.” Denk bij dat laatste bijvoorbeeld aan waterdruppels of verontreinigingen. “Eigenlijk zijn slimme materialen de norm in de natuur. Omdat ze voornamelijk opgebouwd zijn uit organische moleculen, zijn er voor chemici veel mogelijkheden om hieraan te werken.”

Op het niveau van moleculen zijn er de afgelopen jaren heel veel moleculaire motortjes en schakelaars gemaakt die zelf kunnen bewegen, afhankelijk van signalen uit hun omgeving. Dan hebben we het over beweging op de schaal van nanometers. Een nanometer is een miljardste meter. “Als we de eigenschappen van deze moleculen nuttig willen toepassen, dan moeten we die beweging kunnen versterken naar een veel grotere schaal.”

Helix

Een flinke sprong is reeds gemaakt naar de millimeterschaal. “Onderzoekers zijn erin geslaagd om systemen te maken die bijvoorbeeld een druppel kunnen verplaatsen doordat afzonderlijke ‘haren’ gaan bewegen. Maar ook deze schaal is nog te klein voor dagelijks gebruik. Bovendien zijn dit bewegingen in een of twee dimensies en ze missen de complexiteit die nodig is om in onze, normale driedimensionale omgeving te bewegen.”

Katsonis concentreert zich ter inspiratie op de mechanische beweging in planten. Zoals de uitlopers van komkommerplanten die zich over grote afstand weten te verplaatsen. Of zaadpeulen die eerst een flinke spanning kunnen opbouwen om dan abrupt open te barsten waardoor de zaadjes zich over een flink gebied verspreiden.

Wild cucumber tendril c. green thumb photo
Wilde komkommer met helixvormige uitlopers.
Green Thumb Photography via N. Katsonis

“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.

Reepjes knippen onder hoek
Links een schematische weergave van bovenaf gezien van de dunne film van vloeibare kristallen. De moleculen zitten gedraaid aan elkaar doordat ze boven en onder loodrecht op elkaar zijn geörienteerd. Door onder verschillende hoeken een reepje uit de film te knippen, krijgt het reepje verschillende vormen. Vlak, spiraal of helix; alles is mogelijk uit hetzelfde basismateriaal.
N. Katsonis/UTwente (met toestemming)

“We ontdekten dat het enorm uitmaakt hoe je uit een dunne film van het vloeibare kristallen-netwerk een reepje knipt. Afhankelijk van de hoek tussen je kniprichting en de richting waarin de kristallen zijn geordend, krult het reepje op verschillende manieren”, vertelt Katsonis. De groep knipte op allerlei manier reepjes uit de film. De reepjes werden aan een kant vastgezet, vervolgens schenen de onderzoekers er UV-licht op zodat de moleculaire schakelaar werd geactiveerd. Op die manier was overduidelijk beweging waar te nemen. Linksdraaiende reepjes rolden zich spontaan strakker op, terwijl rechtsdraaiende helices juist meer ontrolden. Sommige reepjes klapten om: van linksdraaiend naar rechtsdraaiend.

In dit filmpje zie je hoe een opgerold reepje zich langzaam ontrolt onder invloed van het blauwe UV-licht. (Video N.Katsonis/UTwente)

Hier zie je de tegenovergestelde beweging: een reepje dat zich strakker oprolt onder invloed van UV-licht. (Video N.Katsonis/UTwente)

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.

Helix met gewicht
Helix met daaraan een gewichtje in normale toestand.
N. Katsonis/UTwente (met toestemming)
Helix met gewicht onder uv
Dezelfde helix met gewichtje, maar nu onder invloed van UV-licht. De helix rolt zich strakker op, waardoor het gewichtje omhoog wordt getrokken. Schakelt het UV-licht uit, dan neemt de helix weer de beginpositie aan. Het materiaal kan deze beweging vele malen uitvoeren.
N. Katsonis/UTwente (met toestemming)

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.”

Bronnen:

Supitchaya Iamsaard et al., Conversion of light into macroscopic helical motion, Nature Chemistry 2014, DOI:10.1038/nchem.1859 Nathalie Katsonis, Smart materials for a sustainable tomorrow, editorial in EU Research magazine Presentatie Nathalie Katsonis tijdens [email protected], 19 januari 2016

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 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.