Leidse en Amsterdamse wetenschappers hebben een metamateriaal ontworpen dat zich zelf altijd goed op- en uitvouwt, dankzij de vorm van ingebouwde structuren. Het fundamentele onderzoek kan op termijn wellicht helpen op plekken waar er niets mis mag gaan, zoals in de ruimtevaart of het ziekenhuis.

Wie nog weet wat een wegenkaart is, herinnert zich wellicht hoe lastig het was om zo'n ding weer netjes op te vouwen nadat je het een tijdje op de motorkap had bestudeerd. Als je op de verkeerde manier begon, kwam het nooit meer goed.

Het probleem bij die wegenkaart was dat er geen structuren waren ingebouwd die het vouwen in een bepaalde richting dwongen. Daar heeft een team met onderzoekers van AMOLF, de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de Universiteit Leiden blijkbaar van geleerd. Dat beschrijft vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Natureeen materiaal dat zichzelf altijd netjes en correct opvouwt.
 

Scharnieren

De inspiratie daarvoor kwam uit de natuur, zegt eerste auteur Corentin Coulais van de UvA in een persbericht. ‘Eiwitten vouwen zichzelf op in meerdere stapjes, inclusief ingebouwde zelfcorrecties.’ Maar in technologie – door mensen ontworpen dus – gaat dat vaak veel ingewikkelder en zijn meerdere motoren en scharnieren nodig. ‘Wij wilden kijken of we kunstmatige materialen konden maken waar al een automatisch meerstaps vouwproces ingebakken zit, zodat je niet meerdere vouwmotoren nodig hebt.’

Dat is gelukt, zo blijkt onder meer uit het onderstaande plaatje van een metamateriaal dat zichzelf opvouwt. Te zien is een rubberen structuur van 0,1 m breed, waar talloze en verschillende flexibele verbindingen in zijn verwerkt.
 

 

Compacte structuur

De structuur ‘weet’ welke verbinding als eerste moet gaan knikken, doordat de connecties verschillende diktes hebben. Wordt er druk van de zijkant op de structuur uitgeoefend, dan gaan sommige blokjes draaien, wat eindigt in een nieuwe, meer compacte structuur.

Maar vanuit deze tussenfase kan het nog verder gaan als je van de zijkant blijft duwen. Dan gaan namelijk de volgende verbindingen knikken. Het materiaal vouwt zichzelf helemaal op in drie stappen. Hoe deze zelfvouwende structuur werkt, wordt eigenlijk pas goed duidelijk in een video:
 


Zelfcorrectie

Is dit allemaal al knap te noemen, de kers op de taart is een ingebouwd mechanisme voor zelfcorrectie. Stel je bijvoorbeeld voor dat een van de verbindingen een beetje scheef staat, door een foutje tijdens de productie. Dat zorgt ervoor dat de aangrenzende blokjes verkeerd draaien. Toch eindigt dit niet in catastrofe, omdat ze weer andere blokjes tegenkomen die hen terug in het gelid duwen.
 

Ruimtevaart

Nu betreft het nog fundamenteel onderzoek, maar het team verwacht dat er op termijn best iets nuttigs met hun vernuftige structuur is te doen. Denk aan plekken waar veel mis kan gaan, maar waar dat juist niet mag gebeuren. ‘Bijvoorbeeld in de ruimtevaart, of als een medische sonde vastloopt bij het opvouwen, waardoor hij moeilijker uit het lichaam is te verwijderen’, zegt hoogleraar Martin van Hecke van zowel de Universiteit Leiden als AMOLF. ‘Wij proberen dat automatische vouwen nu beter te snappen en na te bouwen met simpele structuren.’

Openingsbeeld: close-up van het metamateriaal die twee verschillende verbindingen laat zien. Beeldmateriaal: Coulais et al., Nature, 2018.