Je leest:

Meta-materialen maken met 3D-origami

Meta-materialen maken met 3D-origami

Hoe modellen van plakband en karton nieuwe nanotechnologie mogelijk maken

Auteur:

Van meta-materialen kun je exotische lenzen maken, een onzichtbaarheidsmantel of nanomachientjes. Ze ontlenen hun bijzondere eigenschappen niet alleen aan hun chemische samenstelling, maar vooral aan hun ruimtelijke structuur. Een systematische verkenning van ruimte-vullende structuren levert nu een wonderlijke collectie materialen op die van gedaante kunnen veranderen.

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.

3dorigami
Er zijn maar 28 wezenlijk verschillende manieren waarop je met identieke veelhoeken (die aan een paar randvoorwaarden voldoen) naadloos de ruimte kunt volstapelen.

Papiervouwkunst

“De manier waarop wij het hebben aangepakt, is geïnspireerd door origami”, aldus Overvelde. Behalve deze japanse papiervouwkunst was ook het werk van architect Chuck Hoberman een inspiratie, en hij is mede-auteur van het artikel in Nature. Het doel was om systematisch in kaart te brengen hoe je met simpele bouwstenen een driedimensionaal materiaal kunt maken dat moeiteloos van structuur verandert. ‘Moeiteloos’ betekent hier: zonder dat je de bouwstenen zelf hoeft te vervormen, al mogen ze wel scharnierende onderdelen hebben.

Als uitgangspunt namen ze de 28 veelhoeken (binnen wat randvoorwaarden) waarmee je naadloos de ruimte kunt volstapelen. Overvelde: “Dit is maar één manier om dit te doen, de ‘ontwerpruimte’ is heel groot, maar het is wel een heel intuïtieve manier.”

Hoberman sphere maintenance
De architect Chuck Hoberman ontdekte een uitschuifbare constructie in de vorm van een bol. Dit idee was een inspiratiebron voor Overveldes 3D-origami.

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.

3dorigami2
Schema van de manier, waarop je een naadloos stapelbare bouwsteen ‘extrudeert’ met extra zijvlakken. Afhankelijk van de keuze van de zijvlakken, wordt de structuur stijf of beweeglijk.

Zelf-organisatie

De ontwikkeling van metamaterialen staat nog aan het begin, dus welke toepassingen deze ruimtelijke structuren zullen krijgen is nog een open vraag. Op nanoschaal zouden op maat gemaakte moleculen misschien via spontane zelf-organisatie zo’n variabele structuur kunnen vormen. Op mesoschaal zijn technieken zoals die nu worden gebruikt in de chip-fabricage bruikbaar.

Nog mooier zou het zijn, als een metamateriaal schakelbaar was. Dan hoef je die onzichtbaarheidsmantel niet telkens aan- en uit te trekken, maar schakel je hem alleen in als dat nodig is. Overvelde zelf gaat nu bij AMOLF verder in de ‘zachte robotica’, een tak van onderzoek die robots probeert te maken van zachte en flexibele materialen. Volgens hem is daarbij behoefte aan metamaterialen die hun omgeving ‘voelen’ en hun eigenschappen daar op aanpassen.

Bron

Rational design of reconfigurable prismatic architected materials, Johannes Overvelde e.a., Nature, 18 januari 2017

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 februari 2017

Discussieer mee

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE