Een grote doorbraak op kleine schaal: metamaterialen die uit zichzelf krimpen en uitzetten
De Leidse natuurkundigen Daniela Kraft en Julio Melio creëerden samen met hun onderzoeksteam zachte structuren die van vorm kunnen veranderen zonder aandrijving van buitenaf. Dit onderzoek maakt de weg vrij om allerlei metamateriaal te vertalen naar de microschaal.
Van metamateriaal naar microschaal
Samen met hoogleraar Martin van Hecke ontwierpen Kraft en Melio micro-materiaal met colloïde microdeeltjes, gemaakt van hele kleine bolletjes silica als bouwstenen. Dit materiaal is 10 keer dunner dan de dikte van je haar. De bewegingen die de materialen maken worden niet langer bepaald door de materiaaleigenschappen maar door de structuur. De manier waarop ze vebonden zijn maken bepaalde bewegingen mogelijk. Deze functionele structuren zijn nu op microschaal gemaakt. Door gebruik te maken van vierhoekconstructies bleef het materiaal mechanisch stabiel. Door de vierhoeken daarna op één hoek aan elkaar vast te maken kunnen ze roteren en bereikte ze uit zichzelf het Kagomé-rooster.
De volgende stappen
Onder de optische microscoop zagen ze dat deze structuren spontaan krimpen en uitzetten, zelfs zonder aandrijving van buiten. Deze voorspelbare beweging wordt veroorzaakt door de thermische energie die alle deeltjes op dit microniveau bezitten. Siloke Henkens ontwikkelde samen met het team een model dat beschrijft hoe de thermische beweging die structuur beïnvloedt. De volgende stap in het onderzoek was om de bewegingen van het materiaal van buitenaf te structureren. Dit lukte met magnetische microdeeltjes; silica samen met ijzeroxide. Door rondom de proefopstelling een magnetisch veld aan of uit te zetten, zagen ze de structuur op commando krimpen en uitzetten.
De doorbraak maakt nu de weg vrij om allerlei metamateriaal naar microschaal om te zetten. Dit biedt kansen voor microrobots die automatisch reageren op hun omgeving en voor nieuwe innovaties op microschaal waarbij slimme, zelfaanpassende materialen mogelijk worden gemaakt.