Duitse wetenschappers ontwikkelden een soort papier dat reageert op elektrische stroom. Ze maakten een dun, stijf velletje van cellulosevezels (het hoofdbestanddeel van papier) en stuurden er een elektrisch stroompje doorheen. Het velletje wordt daardoor slap, en hoe meer stroom erdoorheen gaat, hoe flexibeler het materiaal wordt. Hun inspiratie haalden ze uit de zeekomkommer.

‘Dit is heel bijzonder’, reageert teamleider Andreas Walther in een persbericht. Hij is hoogleraar macromoleculaire materialen en systemen aan de Johannes Gutenberg Universität in Mainz (Duitsland). ‘De meeste materialen veranderen niet zomaar van stijf naar elastisch. Met dit materiaal kunnen we dat wel bereiken, op een simpele en elegante manier.’

Een toepassing zien de onderzoekers in dempend materiaal, bouwmaterialen of soft robotics. De details van hun onderzoek beschrijven ze in een (gratis toegankelijk) artikel dat onlangs verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

 

Sterk papier

De onderzoekers gebruikten heel fijne vezels van cellulose uit bomen. Ze mengden de cellulose met een ander polymeer dat door middel van zogeheten crosslinks (voor de chemieliefhebber: het gaat om waterstofbruggen) een driedimensionaal netwerk vormt dat het papier zijn sterkte en stijfheid geeft.

Op het nanopapier brachten de onderzoekers een laagje aan dat bestaat uit koolstofnanobuisjes. Zodra je stroom op het papier zet warmt het laagje met koolstofnanobuisjes op – net zoals de spiraal in een waterkoker heet wordt – en verwarmt op zijn beurt het cellulosemengsel eronder.
 

Zo wordt het speciale papier gemaakt (links). Rechts is weergegeven hoe het papier reageert op een elektrische stroom: de crosslinks in het materiaal worden bij een bepaalde temperatuur verbroken, waarmee het materiaal zijn stijfheid verliest. Klik op de figuur voor een grotere versie. Illustratie: Jiao et al., Nature Communications, 2021.


150 graden

Met zo'n 5 tot 25 volt gelijkspanning kan de lokale temperatuur wel oplopen tot 150 graden Celsius, maten de onderzoekers. Door de temperatuursverhoging breken de crosslinks en verliest het nanopapier een deel van zijn driedimensionale structuur en daarmee zijn stijfheid.

Hoe meer stroom, hoe meer opwarming en hoe zachter het materiaal wordt. Zodra je de stroom weghaalt en het materiaal weer afkoelt vormen de crosslinks zich weer en wordt het papier weer stijf.

Bijzonder is dat het materiaal aanvankelijk, dus zonder stroom erop, vrij stijf en sterk is. Het is stijver dan MDF (een materiaal van geperste fijne houtvezeltjes en lijm) en bijna net zo sterk als de kunststof PET. Daarmee onderscheidt het papier zich van materialen zoals hydrogels, waarvan je ook de mechanische eigenschappen kunt laten switchen, maar die veel minder sterk zijn en dus niet goed bruikbaar als functioneel materiaal.
 

De stijfheid van het nanopapier van cellulose verandert met de stroom die erdoorheen loopt. Figuur Jiao et al., Nature Communications, 2021.


Zeekomkommers

De onderzoekers lieten zich inspireren door zeekomkommers. Deze ongewervelde zeedieren kunnen hun huid stijf maken bij wijze van verdedigingsmechanisme. Ze veranderen daarbij de structuur van collageen, het polymeer waar hun huid voornamelijk uit bestaat.

Hoe ze dat precies doen is nog een mysterie, maar wetenschappers willen het proces al jaren nabootsen en ook biomaterialen maken met aanpasbare mechanische eigenschappen. De Duitse onderzoekers hebben daarin nu een stap gezet.
 

Zelf switchen

De volgende stap is een materiaal dat zelf kan switchen tussen slap en stijf. Daarvoor moet de energiebron (de elektrische stroom in dit geval) in het materiaal worden ingebouwd, zodat het breken van de crosslinks intern in gang wordt gezet zodra bijvoorbeeld een grote kracht op het materiaal komt. Walther ‘We moeten nu de knop zelf nog omzetten, maar onze droom is dat het systeem dit zelf kan.’


Tekst: Bastienne Wentzel
Openingsfoto: De zeekomkommer kan zijn huid stijf kan maken om zich te verdedigen tegen aanvallers. Daarmee inspireerde hij de Duitse onderzoekers tot het ontwikkelen van een papier dat naar wens stijf of slap kan worden gemaakt. Bernard Dupont / CC BY-SA 2.0