12 juli 2017

“Onze machines en constructies zijn meestal hard. Maar wij zijn dat niet. Zou het niet prettiger zijn als we ook zachte machines hebben? Artikelen over soft robotics en soft machines verschijnen aan de lopende band. Een publicatie in Science Advances viel me op, omdat het over een ogenschijnlijk onbeduidend detail gaat: de lijm. Hoe plak je zachte materialen stevig aan elkaar vast? Een slimme variatie op good old secondelijm blijkt het uitstekend te kunnen.”

Je leest:

Stevig vast en toch flexibel: Secondelijm 2.0

Stevig vast en toch flexibel: Secondelijm 2.0

Gels plakken snel en stevig aan allerlei oppervlakken door nieuwe versie van bekende lijm

Auteur:

Met secondelijm plak je de boel stevig vast. Maar zit het eenmaal vast, dan valt er niets meer te bewegen. Terwijl dat belangrijk is als je zachte materialen wilt gebruiken voor draagbare elektronica of flexibele batterijen. Oostenrijkse chemici presenteren een lijm die stevig én elastisch plakt.

Robots lijken soms sterk op (delen van) mensen of dieren, maar er is een groot verschil. De meeste robots zijn hard. Ze bestaan uit metaal en harde kunststoffen, terwijl hun levende inspiratiebronnen juist zacht zijn. Wij, en alles wat leeft, bestaan voor een groot deel uit zachte, gel-achtige materialen die toch sterk en robuust genoeg zijn om allerlei mechanische functies uit te oefenen en krachten te weerstaan.

In het snel opkomende veld van de soft robotics en soft machines – robots en machines gemaakt van zachte materialen – spelen hydrogels een grote rol. Dat zijn, simpel gezegd, netwerken van lange ketens waarin veel water opgenomen kan worden waardoor ze opzwellen. Je kunt het vergelijken met gummiberen of een drilpudding. Die zijn zacht, beweeglijk en elastisch, maar ook stevig. Je kunt ze een beetje indrukken, maar dan veren ze terug. Ze behouden hun vorm.

Care o bot grasping an object on the table %285117071459%29
Een zachte grip is belangrijk voor robots die tere objecten moeten pakken. Of direct contact hebben met mensen.

Zachte grip

Een hydrogel kun je wellicht gebruiken om een robot een ‘zachte grip’ te geven. Zoals onze vingers. Die kunnen een beetje indeuken en daarmee voelen hoe hard of zacht ze moeten knijpen en tegelijkertijd hebben ze een stevige grip. Maar om hydrogels te gebruiken als bouwmateriaal voor machines en robots, moet je ze vast kunnen maken aan andere onderdelen. Bijvoorbeeld aan metalen bedrading voor een koppeling met een batterij of aan harde onderdelen van kunststof. Klassieke oplossingen als schroeven, klinknagels of solderen, werken natuurlijk niet met zachte materialen. Je hebt lijm nodig.

De huidige varianten zijn echter beperkt geschikt, zo schrijven Martin Kaltenbrunner, associate professor fysica van zachte materialen, en collega’s van de Johannes Kepler Universiteit in Linz (Oostenrijk) in het tijdschrift Science Advances. Voordat je deze lijmen kunt aanbrengen, moet er van alles worden gedaan met de oppervlakken die je aan elkaar wilt plakken. Bovendien kost het uitharden van deze lijmen veel tijd en vaak zijn er extra hulpmiddelen nodig, zoals uv-licht en dat kan juist weer schadelijk zijn voor zachte, gevoelige materialen. Allemaal zaken die je liever niet hebt als je zachte machines wilt produceren.

Repareren geleidende gel wirthl sciadv2017
Een geleidende gel die wordt doorgeknipt functioneert meteen weer na plakken met de lijm van Martin Kaltenbrunner en zijn team.

Robotlens

Kaltenbrunner en collega’s ontwikkelden een nieuwe lijm die in staat is om snel gels aan veel verschillende materialen te plakken. Zonder voorbereidend werk en zonder uv-licht. De gels hechten zich stevig aan verschillende kunststoffen en metalen, maar de verbinding blijft elastisch. Ze plakken bijvoorbeeld een gellaagje op een contactlens. Door de gel loopt een elektrisch stroompje, dat ervoor zorgt dat de gel en de lens van vorm veranderen. Daardoor is er een andere focus, net zoals wij onze ogen scherpstellen op in de verte kijken of juist de kleine lettertjes lezen. Dankzij de stevige, maar elastische lijm kunnen de gel en de lens samenwerken. Dat opent mogelijkheden voor het maken van bijvoorbeeld biomimetische – van de natuur nagebootste – ogen voor robots.

Kunsthuid met electronica wirthl sciadv2017
De nieuwe lijm plakt probleemloos allerlei elektronische circuits voor sensoren, een batterij en een bluetooth ontvanger op een flexibele gel. Dit vormt een model voor kunsthuid, die signalen kan registeren, doorgeven en verwerken.

Naast de contactlens gebruiken Kaltenbrunner en zijn team hun lijm om flexibele batterijen te maken. Een elektronisch circuit plakt zonder problemen aan een elastische gel en blijft werken – ook na uitrekken en terugveren. De lijm die ze gebruiken bestaat uit cyanoacrylaat, een molecuul dat heel snel lange ketens vormt (polymeriseren), waardoor een harde laag ontstaat die twee oppervlakken stevig aan elkaar verbindt.

Elastische laag

Ruggegraat geplakt wirthl sciadv2017
3D geprinte modellen van menselijke ruggenwervels verbonden door tussenwervelschijven gemaakt van een stevige hydrogel. Meteen na het plakken zit alles zo goed vast, dat de ‘ruggengraat’ zonder problemen kan buigen of zich uitrekken.

Dat moet wel een heel bijzondere lijm zijn, denk je dan, maar nee. “Dat is gewoon secondelijm”, is het ontnuchterende commentaar van chemicus Paul Kouwer, universitair docent aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Kouwer doet zelf onderzoek naar hydrogels en las op verzoek van NEMO Kennislink de publicatie van Kaltenbrunner. “Maar wat zij hier presenteren zou je als secondelijm 2.0 kunnen zien. Normaal gesproken wordt secondelijm heel snel, de naam zegt het al, heel hard. Daardoor zit alles goed vast, maar die harde lijmlaag wordt ook bros. Als je er kracht op zet, kan de lijmlaag breken. Wat Kaltenbrunner doet is het uitharden van de lijm iets vertragen, waardoor de structuur van de lijmlaag minder dicht en meer elastisch wordt, terwijl tegelijkertijd de cyanoacrylaatsliertjes langer kunnen polymeriseren. Ze groeien als het ware dieper de zachte materialen in, waardoor de hechting heel stevig wordt.”

Kouwer is onder de indruk van de hoeveelheid toepassingen die Kaltenbrunner en zijn team laten zien. “Het is een interessant artikel. Hun lijm kun je voor veel verschillende materialen gebruiken en lijkt heel gemakkelijk in gebruik te zijn. Het is plakken en klaar.” Hij vraagt zich wel af hoe de lijm precies werkt en hoe je die moet maken, daarover ontbreekt de informatie. Behalve dan dat je het olie-achtige 2,2,4-trimethylpentaan gebruikt. “Dat vind ik een opvallende keuze”, zegt Kouwer. Het is namelijk een heel ander soort chemische verbinding dan normaal gesproken bij secondelijm wordt toegepast, zoals aceton (nagellakremover), azijnzuur of chloroform. Dit zijn allemaal zogeheten polaire stoffen; moleculen waarin de elektrische lading niet gelijk is verdeeld, waardoor een relatief positief en negatief geladen deel ontstaat. In deze stoffen lost het cyanoacrylaat, dat ook polair is, goed op. Maar 2,2,4-trimethylpentaan is apolair of neutraal. En daarin schuilt het geheim, zo blijkt.

Ruggegraat plakken proces wirthl sciadv2017
Het assemblage proces van de ruggengraat; het kost minder dan drie minuten om alle onderdelen aan elkaar te verbinden.

Niet-oplosmiddel

“We hebben een heleboel gangbare oplosmiddelen geprobeerd”, laat Martin Kaltenbrunner desgevraagd weten. “Maar bij allemaal zagen we dat er te veel verdunning optrad, waardoor het cyanoacrylaat niet goed kon polymeriseren en de kleefkracht afnam. Toen zijn we gaan zoeken naar een neutrale vloeistof waarin cyanoacrylaat juist niet oplost, waardoor je een dispersie krijgt. Dat is een fijne verdeling van je materiaal in een vloeistof. Zo kwamen we bij 2,2,4-trimethylpentaan uit. Het fungeert daarom als een drager en niet als een oplosmiddel. Overigens vonden we dat paraffineolie ook goed werkt.”

Cyanoacrylaat-secondelijm wordt al gebruikt om wonden te dichten, in plaats van het klassieke hechten met naald en draad. Kaltenbrunner laat in de publicatie geen toepassing in deze richting zien. Liggen daar mogelijkheden? “Zeker, maar dan denk ik eerder aan paraffineolie als drager”, aldus Kaltenbrunner. “Ik denk dat onze lijm mogelijkheden biedt voor medische toepassingen, zolang de drager niet schadelijk is of heel snel vervliegt. We werken actief aan meer biocompatibele lijmen, maar dat onderzoek is nog volop gaande.”

Bron:

D. Wirthl, R. Pichler, et al., Instant tough bonding of hydrogels for soft machines and electronics, Science Advances 2017, doi:10.1126/sciadv.1700053

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 juni 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