Een wereldprimeur op microschaal: metamaterialen die zélf kunnen krimpen en uitzetten
NATUURKUNDE beeld: C. Huygelen
Zachte structuren die van vorm veranderen, zonder aandrijving van buitenaf. De Leidse natuurkundigen Daniela Kraft en Julio Melio creëerden dit in hun laboratorium. Ze presenteren hun baanbrekende onderzoek naar metamaterialen op microschaal in Nature. Een doorbraak die slimme, zelfaanpassende materialen en microrobots mogelijk maakt.
‘Metamaterialen hebben ons hele denken over materialen veranderd’, legt hoogleraar Experimentele Natuurkunde Daniela Kraft uit. ‘De bewegingen die deze materialen maken, worden niet langer bepaald door de materiaaleigenschappen, maar door de structuur. De manier waarop de deeltjes onderling aan elkaar verbonden zijn, maken bepaalde bewegingen mogelijk. Wij gingen de uitdaging aan om deze functionele structuren op microschaal te maken, en dat is gelukt’.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofBouwsteen voor bouwsteen
Samen met hoogleraar Martin van Hecke, verbonden aan de Universiteit Leiden en AMOLF, ontwierpen Kraft en Melio hun micro-metamateriaal. Als bouwstenen gebruikten ze colloïdale microdeeltjes: hele kleine bolletjes silica. Promovendus Melio creëerde hiermee de bouwstenen voor de nieuwe structuur. En dat alles superklein; tien keer dunner dan de dikte van je haar.
‘Vierhoeksconstructies bleken de sleutel van ons ontwerp,’ legt Melio uit. ‘De deeltjes binnen de vierhoeken zetten we aan elkaar vast en zijn daardoor mechanisch stabiel. Door de vierhoeken daarna op één van de hoeken aan elkaar vast te maken, kunnen ze onderling roteren. Van enkele van deze vierhoeken werkten we toe naar complexere structuren, en bereikten we uiteindelijk zelfs het zogenaamde Kagomé-rooster (zie filmpje).
Vanzelf in beweging door thermische energie
Onder de optische microscoop zien we dat onze structuren spontaan krimpen en uitzetten, zelfs zonder aandrijving van buiten. Deze beweging wordt veroorzaakt door de thermische energie die alle deeltjes op dit microniveau bezitten. Het bijzondere is dat de bewegingen die de deeltjes maken voorspelbaar zijn. Als de ene set vierhoeken de ene kant op roteert, dan roteert de naastliggende set vierhoeken altijd de andere kant op. Zo zie je de structuur in zijn geheel krimpen en zet zich daarna weer uitzetten.’
Sturen van de bewegingen
De volgende stap is om de bewegingen van het microscopisch kleine metamateriaal van buitenaf te sturen. Dat lukte met magnetische microdeeltjes: silica samen met ijzeroxide. Door rondom de proefopstelling een magnetisch veld aan te zetten (of weer uit), zagen we de structuur op commando krimpen (of weer uitzetten). Een belangrijke stap om dit metamateriaal toe te kunnen passen in innovaties.
Theoretisch natuurkundige Silke Henkes ontwikkelde samen met het team een model dat beschrijft hoe de thermische beweging de structuur beïnvloed. ‘Het was een absoluut genoegen om de afgelopen vier jaar samen te werken. We ontwikkelden een theoretisch kader voor deze microscopische metamaterialen en zagen daarna in onze experimenten dat deze ons model precies volgden.’
Toepassing in innovaties
‘Het is prachtig dat het nu gelukt is metamaterialen op zo'n kleine schaal te maken", volgens Van Hecke. ‘Dit maakt de weg vrij om heel veel andere metamateriaal ideeën te vertalen naar de microschaal.’
Ook Kraft kijkt uit naar de volgende stappen in het onderzoek. Dit ontwerp kan de basis vormen voor slimme materialen of microrobots die automatisch reageren op hun omgeving, en voor nieuwe innovaties op microschaal — het vakgebied waarin haar onderzoeksgroep wereldwijd naam heeft gemaakt.
Nature
Pivoting colloidal assemblies exhibit mechanical metamaterial behavior
Julio Melio1, Martin van Hecke1,2, Silke E. Henkes3 and Daniela J. Kraft1
1 Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratory, Leiden University, P.O. Box 9504, 2300 RA Leiden, The Netherlands
2 AMOLF, 1098 XG Amsterdam, The Netherlands
3 Lorentz Institute, Leiden University, P.O. Box 9506, 2300 RA Leiden, The Netherlands