Wetenschappers kunnen via een magnetisch veld een polymeerstructuur omzetten in diverse vormen, geschikt voor vele toepassingen.

Tijdens het Chinese Nieuwjaar zie je ze in China overal: Chinese lantaarns. Deze vaak rode lampen zijn gemaakt van hout of bamboe en staan symbool voor vreugde, voorspoed en geluk. Maar onderzoekers van de North Carolina State University hebben ze nu gemaakt van een speciaal polymeer. Ze geven geen licht maar kunnen wel door druk of verdraaiing in één klap in een andere structuur overgaan. De uitvinding is gepubliceerd in Nature Materials.

Lees ook:

• ‘Harde schijf’ bestaande uit polymeren afgelezen
• Nieuwe technologie tovert doorzichtig plastic om in 3D-beeldscherm
• Glas vormen met origami

Parallellogram

De basis ‘Chinese lantaarn’ wordt gemaakt door eerst een polymeren vel in een diamantachtig parallellogram (een vierhoek die uit twee paren van evenwijdige zijden bestaat) te snijden. Daarna snij je er in het midden een rij parallelle lijnen uit.

Dit geeft volgens het onderzoeksteam een rij van identieke ‘linten’ die met elkaar verbonden kunnen worden door een strip aan de boven- en onderkant vast te maken. Door nu de linker- en rechterkant van de strip boven en onder aan elkaar te plakken, krijg je een 3D-structuur die dus lijkt op zo’n Chinese lantaarn.

Bistabiel

Deze basisstructuur is van zichzelf bistabiel. Dat wil zeggen dat hij twee stabiele vormen kent; de Chinese lantaarn en een vorm die lijkt op een draaitol. Die draaitol ontstaat door de originele structuur samen te drukken. Op een bepaald moment bereikt hij een kritisch punt en schiet dan naar de tolvorm.

De bewegingsenergie van het indrukken wordt opgeslagen in de draaitol. Als je vervolgens aan die vorm trekt dan bereikt hij weer op een bepaald moment die kritische grens, waarop alle opgeslagen energie in één keer vrijkomt in de vorm van bewegingsenergie, waardoor de structuur omklapt naar de originele stabiele vorm.

Magnetisch veld

Vouw je de strips boven of onder naar binnen of naar buiten, of een combinatie daarvan, dan krijg je verschillende structuren, met elk twee stabiele vormen. Twee structuren hebben zelfs drie stabiele vormen (ze zijn tristabiel); die bereik je door de oorspronkelijk vorm in te drukken, te draaien of allebei tegelijk.

Je kunt de vormen zelf met de hand vervormen maar bediening op afstand is natuurlijk met het oog op toepassingen handiger. En dus maakten de onderzoekers een magnetisch laagje op de vaste strip aan de onderkant. Zo konden ze door te spelen met het magnetische veld de structuren vervormen en laten omkeren.

Visje pakken

Het team maakte ook een computermodel van de verschillende polymeerstructuren. Zo kan worden nagegaan hoe de verschillende hoeken invloed hebben op het ‘omkeergedrag’ en op hoeveel energie wordt opgeslagen en weer vrijkomt.

Ten slotte volgden demonstraties van toepassingen. De onderzoekers maakten een grijper om daarmee een vis uit een kom te pakken, een filter dat open en dicht kan om de waterstroom te regelen en een vorm die snel kan uitzetten om een ingestorte buis te openen. Zie het filmpje onderaan.

Het team denken dat de polymeren gedaantewisselaars vooral geschikt zijn voor gebruik in metamaterialen (materialen met bijzondere eigenschappen) en in robots. Daar zal het vervolgonderzoek zich op richten.

Bronnen: Nature Materials, North Carolina State University via EurekAlert!

Beeld: Yaoye Hong/NC State University

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!