De laatste jaren zijn er verschillende kunstmatige materialen ontwikkeld met ongebruikelijk eigenschappen. Zo bestaan er mechanische metamaterialen die onnatuurlijk reageren op druk. "Als je van boven op zo'n metamateriaal drukt, deuken de zijkanten bijvoorbeeld niet uit maar ín", zegt Daniela Kraft, hoogleraar zachte materialenfysica aan de Universiteit Leiden. Dit soort bijzondere eigenschappen danken de materialen niet aan hun chemische samenstelling, maar aan hun slim ontworpen structuur of geometrie.

Kraft heeft nu met collega's uit Leiden en van het Amsterdamse onderzoeksinstituut AMOLF metamaterialen met dit soort gedrag nagemaakt op kleine schaal. Ze bouwden structuren die zelfstandig kunnen in- en uitvouwen van glazen bolletjes van enkele micrometer groot. Hun resultaten verschenen recent in Nature.

Drie- en vierhoekjes

Waarom die microschaal? "Alles wat klein is, is fascinerend", zegt Kraft. "Je kunt dit soort materialen namelijk gebruiken om kleine robotjes te maken waar je geen elektronica in hoeft te bouwen. Het doel zijn microrobotjes die door mechanische interacties met de omgeving vanzelf van vorm kunnen veranderen, zonder aansturing van buitenaf. Zo zouden ze zich bijvoorbeeld kleiner kunnen maken om door een bloedvaatje te bewegen."

Net als de grotere mechanische metamaterialen zijn de structuren van Kraft en haar collega's opgebouwd uit rigide drie- of vierhoekige elementen die via een soort scharnieren met elkaar verbonden zijn. En net als hun grote broers zijn ze zo ontworpen dat de elementen tegen elkaar in draaien waardoor ze altijd op dezelfde manier in elkaar vouwen en het materiaal in alle richtingen krimpt. Kraft: "Dat noemen we auxetisch gedrag."

Scharnierpunten

De onderzoekers bouwden hun drie- of vierhoekige elementen op uit verschillende formaten microscopische bolletjes van glas (silica). Op die bolletjes brachten ze een lipide dubbellaagje aan, waar celmembranen ook uit bestaan. Vervolgens plaatsten ze in dat dubbellaagje DNA-moleculen, zogeheten DNA-linkers, waarmee ze de bolletjes aan elkaar vast konden maken om zo drie- en vierhoekjes te vormen. "Omdat het dubbellaagje een beetje vloeibaar is, kunnen de DNA-linkers over het oppervlak bewegen", vertelt Kraft.

Door ze slim te ontwerpen, konden de onderzoekers rigide drie- of vierhoekjes maken, waarbij alleen op de hoeken de DNA-moleculen voor beweging zorgen. Die hoekpunten vormen zo een soort scharnierpunten. Met die bouwsteentjes bouwden ze grotere structuren, die kunnen in of uitvouwen door om die scharnierpunten te draaien.

"Je denkt misschien: waarom neem je geen vierkantjes in plaats van vierhoekjes gemaakt van bolletjes?", zegt Kraft. "Dat dacht ik zelf eerst ook. Maar het DNA bleek bij voorkeur op de platte zijkanten te zitten, terwijl wij ze op de hoekpunten nodig hebben als scharniertjes. Door vierhoeken te bouwen van bolletjes, kwamen ze wel op die hoekpunten terecht."

Magnetische controle

De onderzoekers lieten zien dat een structuur die ze opbouwden uit ruitvormige vierhoekjes en driehoekjes inderdaad slechts op één specifieke manier kan in- en uitvouwen. "Wij zijn niet de eersten die proberen zo'n metamateriaal te maken op de microschaal", zegt Kraft. "Maar alle eerdere manieren leverden stijve structuren op waarbij je echt kracht moest zetten om ze te laten opvouwen. Bij ons is de thermische energie uit de omgeving hiervoor genoeg, doordat onze scharniertjes zo zacht zijn."

Vervolgens maakten de onderzoekers ook een structuur van driehoekjes die op meerdere manieren kan vervormen. Ook bouwden ze magnetische bolletjes, die reageren op externe magneetvelden, in hun metamaterialen. "Zo hebben we het materiaal gecontroleerd kunnen laten krimpen", zegt Kraft. "Door de magnetische bolletjes slim te plaatsen, kunnen we de beweging nog iets meer controleren."

Kraft wil deze nieuwe kennis gaan samenbrengen met de microrobots waar ze aan werkt. Maar het maken van deze structuren is nu nog een tijdrovend klusje dat gebeurt met optische pincetten. Kraft: "De eerste auteur van ons Nature-artikel, Julio Melio, heeft de bolletjes nu één voor één opgepakt om de juiste vorm te bouwen. Daarom willen we overgaan op zelfassemblage."

Foto's: C. Huygelen