Onderzoek naar de structuur van het keverschild om iriserend materiaal te maken.

Fascinerend, dat glanzende schildje van kevers dat van kleur verandert afhankelijk van de richting waarin je naar ze kijkt. Hoe kan dat eigenlijk? Isja de Feijter van de Technische Universiteit Eindhoven bestudeert de structuur van het schildje, om het materiaal uiteindelijk na te kunnen maken.

6 januari 2015

Sommige vlinders, kevers en paradijsvogels glanzen in alle kleuren van de regenboog. Wat is hun geheim?
Wikimedia Commons/Hectonichus

Je kent ze vast wel, kevertjes waarvan het schild van kleur verandert afhankelijk van de richting waarin je naar ze kijkt. De oorzaak voor dit fenomeen is de manier waarop het schild van het kevertje daglicht reflecteert of juist absorbeert. Afhankelijk van de golflengte worden lichtgolven versterkt dan wel uitgedoofd, waardoor je bepaalde kleuren heel helder of juist helemaal niet ziet. Maar wat in het schildje zorgt nu precies voor de reflectie of absorptie van het licht?

Afkijken bij het kevertje

De meeste voorwerpen bevatten pigmenten die maar één kleur reflecteren en alle andere kleuren absorberen. Voor het keverschild ligt dat anders. Hierin zijn niet pigmenten, maar de regelmatige structuur van het schild verantwoordelijk voor de kleur. Als de structuur van het schild een ordening heeft waarvan de lengteschaal overeenkomt met de golflengte van het licht, wordt het licht gereflecteerd in een patroon waarin verschillende lichtgolven samenvallen of elkaar juist tegenwerken. Komen de golflengtes overeen, dan versterken ze elkaar en zie je een heldere kleur. Komen ze niet overeen, dan ontstaat er juist uitdoving.

De kleuren in dit schildje komen niet van pigmenten, zoals die bijvoorbeeld wel de menselijke huid kleuren. De iriserende kleuren van een kever zijn het resultaat van de structuur van zijn schild. Door die structuur kaatst het licht onder verschillende hoeken terug. Net als bij een zeepbel veranderen de kleuren daarom met de hoek waaronder je de kever bekijkt.
Wikimedia Commons/Udo Schmidt

Dit soort materialen is al kunstmatig nagemaakt voor gebruik in bijvoorbeeld autolak. Maar zou het niet mooi zijn als we dit effect – naast het enkel namaken – ook kunnen controleren? Dit zou de weg openen naar materialen waarvan we de kleur kunnen veranderen, zoals een kameleon dat doet. Om dit voor elkaar te krijgen is het niet alleen belangrijk een materiaal te maken met ordening op de lengteschaal van licht – enkele honderden nanometers – maar ook om deze ordening op afstand te kunnen besturen. En dat is precies waar we in Eindhoven aan werken.

Bolletjes van silica

Omdat het voor de ontwikkeling van nieuwe materialen belangrijk is dat het product betaalbaar is, is silica de basis van ons bestuurbaar systeem. Van silica kun je perfect ronde bolletjes van verschillende groottes maken; van enkele nanometers tot millimeters. Dit materiaal is op zichzelf niet zo bijzonder, maar het is goedkoop en wordt in de praktijk vaak gebruikt. Bijvoorbeeld om autobanden sterker te maken.

Het bijzondere zit hem juist in de functionaliteit van de bolletjes. Ze krijgen hun functie grotendeels dankzij een inactief vulmiddel, dat de bolletjes hydrofoob (watervrezend) maakt en stabiel houdt. Hierdoor is het makkelijk ze te gebruiken in verschillende oplosmiddelen.

Om controle over de bolletjes te krijgen wordt verder nog een speciaal molecuul toegevoegd. Voor de kenners: het gaat om 1,3,5-benzeentricarboxamide (BTA). De basis van deze structuur is een benzeenring. Aan de ring zitten drie chemische groepen genaamd amides, die er als ‘armpjes’ aanhangen. Met die armpjes kan een BTA-molecuul een tweede BTA vastgrijpen. De binding is niet erg sterk en kan makkelijk weer verbreken. Om vervolgens meteen weer een nieuwe binding te vormen met een andere BTA in de buurt.

Schakelaar

Door deze zwakke bindingen ontstaat een dynamisch geheel waarin BTA-moleculen continu bindingen maken en verbreken. Om hier controle over te krijgen is er een ‘schakelaar’ in het molecuul ingebouwd. Deze schakelaar zorgt ervoor dat de BTAs geen binding met elkaar kunnen aangaan totdat ze geactiveerd worden met ultraviolet licht. De combinatie van deze twee materialen – goedkope, relatief grote bolletjes en een eenvoudig te besturen klein molecuul – levert een slim materiaal, waarvan de eigenschappen van buitenaf te veranderen zijn.

Dat gaat zo: door het materiaal te belichten worden de BTA’s actief, en zullen ze elkaar op gaan zoeken om een binding aan te gaan. Maar omdat ze vastzitten aan een silica-bolletje kunnen ze niet zomaar vrijuit bewegen, en zal dus het bolletje ook mee bewegen. Er ontstaan dan kleine groepjes van bolletjes.

Hoe langer je met ultraviolet licht op het materiaal schijnt, hoe meer BTA’s er actief worden. Met als gevolg dat de groepjes bolletjes groter en groter worden. Door de temperatuur te verhogen of juist te verlagen, kan je de bindingen tussen de BTA’s zwakker of juist sterker maken. Ook dit effect zie je weer terug in het gedrag van de bolletjes: bij hoge temperaturen worden de groepjes steeds kleiner, en bij lage temperaturen juist weer groter.

Dit nieuwe materiaal, waarbij het gedrag van grote silica bolletjes bestuurd wordt door kleine moleculen van buitenaf te beïnvloeden, is nog niet zo netjes geordend dat we er al verschillende kleuren mee kunnen maken. Maar doordat we het gedrag van de bolletjes in oplossing steeds nauwkeuriger kunnen sturen, komen we steeds dichter bij dit soort functionele materialen.

Dit artikel is een publicatie van Kennislink (correspondentennetwerk)