Geribbeld plastic onthult principe voor programmeerbare materialen
Ribbeltjesplastic blijkt een voorbeeld te zijn van een nieuwe klasse ‘multistabiele’ metamaterialen, die omkeerbaar van vorm kunnen veranderen. Dit inzicht kan leiden tot nieuwe toepassingen, van robots tot medische hulpmiddelen. Natuurkundigen Anne Meeussen (voorheen Unviersiteit Leiden/AMOLF, nu Harvard University) en Martin van Hecke (Universiteit Leiden/AMOLF) beschrijven deze metamaterialen in een publicatie in Nature.
Van een bloem die openvouwt tot een robot die loopt of iets vastgrijpt, overal om ons heen veranderen dingen van vorm. De laatste jaren hebben wetenschappers daarom allerlei van vorm veranderende materialen bedacht, die onder de invloed van warmte, licht, of druk van de ene naar de andere vorm kunnen bewegen. Maar er is een probleem. In de meeste gevallen zijn deze vormen niet stabiel; en als ze wel stabiel zijn, kunnen ze niet opnieuw vervormd worden. Het is net als met klei: een vorm gemaakt van zachte klei is niet stabiel, en als de klei eenmaal gebakken is, is de vorm niet meer terug te draaien.
In hun Nature-publicatie beschrijven Meeussen en Van Hecke een nieuw principe voor het maken van zogenaamde multistabiele metamaterialen. 'Het nieuwe daaraan is dat ze meerdere stabiele toestanden kunnen vormen, die je bovendien weer gemakkelijk kunt terugdraaien', zegt Van Hecke over de vondst.
Rol-, spiraal- en helix-achtige vormen
De basis van de ontdekking is een materiaal met een bedrieglijk eenvoudige structuur: vellen van plastic - of een ander flexibel materiaal - met daarin gegolfde ribbels. Door aan zo’n ribbelvel te trekken, knikken de ribbels, en de geknikte plekken vormen samen een soort richel, dwars op de ribbels. Die richel blijft, ook als je niet meer trekt, en duwt het ribbelvel een nieuwe vorm in. Door meerdere richels te combineren zijn prachtige rol-, spiraal- en helix-achtige vormen mogelijk, en deze zijn dus stabiel. 'Maar als je het hele vel verder uittrekt verdwijnen de richels en kun je nieuwe vormen maken,' zegt Van Hecke.
Meeussen ontdekte dat elke knik in een ribbel een soort ‘defect’ vormt, en dat defecten in naburige ribbels elkaar 'voelen’: als je ze bij elkaar in de buurt brengt, stoten ze elkaar af. 'Maar als de twee defecten precies naast elkaar zitten, blijven ze juist bij elkaar.' De richels bestaan dus uit ketens van defecten die elkaar aantrekken. 'Het begrijpen van de defecten, richels en vormen heeft wel een poosje geduurd', zegt Anne Meeussen die het materiaal analyseerde en simuleerde met computermodellen, berekeningen en veel experimenten met ribbeltjesplastic. 'Het was corona-tijd, dus veel proeven deed ik gewoon thuis.'
Van kinderspel tot Nature-publicatie
Het nieuwe principe van multistabiliteit en vormveranderende materialen biedt een breed palet aan toepassingen; denk bijvoorbeeld aan uitklapbare noodwoningen, medische hulpmiddelen zoals stents, die ingebracht worden in de ene vorm, en dan uitklappen naar een stabiele bruikbare vorm, of robot-onderdelen die eenvoudig heen en weer schakelen tussen een aantal geprogrammeerde vormen.
Best een mooi resultaat voor wat letterlijk begon als kinderspel. Van Hecke: 'Mijn dochter en een vriendinnetje speelden ooit met een soort ribbel-papier uit een pak koekjes. Het vriendinnetje trok er een richel in, en gaf het aan mijn dochter. Dat vindt je vader leuk, zei ze. Nou, dat had ze goed gezien, en nadat mijn zoontje ook nog nieuwe vormen wist te verzinnen, was ik ervan overtuigd dat hier iets nieuws te ontdekken viel.'
In het Nature-artikel krijgen alle drie de kinderen een officieel bedankje voor hun bijdrage.
Het nieuwe metamateriaal in actie
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDit onderzoek is gepubliceerd onder de titel Multistable sheets with rewritable patterns for switchable shape-morphing in het vaktijdschrift Nature.
Tekst: Bruno van Wayenburg