Een primeur in het lab: een piepklein netwerk dat sterk én flexibel is
Het is de groep van Daniela Kraft gelukt om een netwerk van microdeeltjes te maken dat zowel sterk als volledig flexibel is. Dat klinkt misschien simpel, maar toch zijn ze wereldwijd de eersten die hierin geslaagd zijn. Een heuse doorbraak in de natuurkunde van zachte materie.
Promovendus Julio Melio bestudeert microscopisch kleine, flexibele netwerken en dat is geen makkelijke klus. In de natuur komen zulke micronetwerken voor in gels, polymeren of het cytoskelet van de cellen in je lichaam. ‘Deze materialen zijn buigzaam dankzij zogenaamde soft modes, flexibele toestanden’, legt Melio uit. ‘We weten niet goed wat de invloed van temperatuur is op deze toestanden.’
‘Het is te ingewikkeld om dat te bestuderen in biologische systemen, dus hebben we een netwerk van microscopisch kleine bolletjes, colloïden, in het lab gemaakt. Het simpelste systeem is een vierkant rooster. Dat kan bijvoorbeeld vervormen tot een ruit.’
'Ik hoop het netwerk uiteindelijk van buitenaf te kunnen besturen.'
Een slimme techniek voor flexibele verbindingen
De onderzoeker koopt silicabolletjes in en geeft die een coating van lipides. Dan creëert hij een DNA-link om de bolletjes aan elkaar te koppelen. ‘We gebruiken twee soorten DNA-strengen die aan elkaar kunnen hechten en plaatsen deze op colloïdes. Die kunnen dan aan elkaar binden, maar niet aan een andere colloïde van dezelfde soort. Het bijzondere van deze DNA-links is dat de gekoppelde deeltjes ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Het netwerk is dus fexibel.’
‘De uitdaging is om het rooster perfect te krijgen’
Vervolgens begint de lastige klus om de bolletjes in de gewenste structuur te krijgen. Dat is nogal een uitdaging, vertelt Melio. ‘Je pakt een colloïde op met een ‘optisch pincet’, een laser, en brengt het in contact met een tweede. Zo bouw je één voor één het rooster op.’ Het systeem is echter uiterst gevoelig, waardoor je bij de kleinste veranderingen kwalitatief slechte bolletjes krijgt die aan elkaar hechten. ‘En dan verliest het systeem zijn flexibiliteit.’
Het kostte de promovendus de eerste keer bijna driekwart jaar om een perfect vierkant rooster van vijf bij vijf colloïdes te maken. ‘Ondertussen gaat dat gelukkig een stuk sneller’, lacht hij. De groep van Kraft is hiermee de eerste ter wereld die zo gecontroleerd een grote microstructuur kan opbouwen zonder de flexibiliteit te verliezen.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofMogelijke toepassingen: metamaterialen en microrobots
De onderzoekers hebben al nieuwe inzichten verworven die helpen om de soft modes in micronetwerken beter te begrijpen. Hoe groter het rooster is, hoe waarschijnlijker dat het zich in de vierkante toestand bevindt in plaats van de ruitvormige. Grotere structuren shearen ook beter: ze vervormen makkelijker onder schuifkracht dan kleinere varianten.
Dat is interessant voor het ontwikkelen van nieuwe metamaterialen, waarbij de eigenschappen afhangen van de structuur. Bijvoorbeeld hoe het reageert op druk of hoe het in elkaar kan vouwen. Maar Melio hoopt vooral dat hij een manier kan vinden om de vormverandering van het micronetwerk van buitenaf aan te sturen. ‘Dan heb je eigenlijk de basis voor een microrobot. Die worden bijvoorbeeld gebruikt in biomedische toepassingen, bij operaties. Zo ver ben ik natuurlijk nog lang niet, ik kijk nu of het besturen lukt door de colloïdes magnetisch te maken. Het zou heel leuk zijn als dat nog lukt voordat ik mijn PhD afrond.’
Wetenschappelijke publicatie
Lees de wetenschappelijke publicatie in Physical Review Letters.
Naar het artikel (€)