De 4D-geprinte kever die van kleur verschiet als hij vochtiger wordt

Sols vakgroep onder leiding van Albert Schenning heeft uitgebreide ervaring met slimme materialen die reageren op stimuli van buiten, zoals licht, temperatuur of luchtvochtigheied. De materialen maken gebruik van vloeibare kristaltechnologie, vergelijkbaar met de technieken in LCD-schermen, maar dan toegepast in kunststoffen.

Die kristallen krijgen andere eigenschappen afhankelijk van de richting waarin ze zijn uitgelijnd (ze worden anisotroop). Dat kan mechanisch zijn, dan zijn ze in één richting sterker dan in de andere, of optisch, dan hebben ze afhankelijk van de invalshhoek van het licht een andere kleur.

Een iriserende boktor

En dat laatste is precies waar Sol zich de afgelopen vier jaar mee bezig heeft gehouden. Is het mogelijk om een voorwerp te printen dat van kleur verandert onder invloed van vocht?  “De inspiratie daarvoor vond ik in de natuur, en dan in het bijzonder in de Tmesisternus isabellae (zie afbeelding 1), een boktorsoort waarvan het dekschild van kleur verandert onder invloed van luchtvochtigheid.”

Dat Sol koos voor vocht als stimulus, en niet voor licht (zoals promovenda Marina Pilz da Cunha uit dezelfde vakgroep eerder deed voor haar wandelende minirobot), is niet toevallig. “Wij mensen bestaan voor een groot deel bestaat uit water, en een sensor die je gemakkelijk en goedkoop kan printen met een 3D-printer en die reageert op vocht, kan allerlei toepassingen hebben in de gezondheidszorg. Denk aan een ring die transpiratie meet, of in de toekomst misschien je bloedsuikerspiegel.”

Maar Sol ging nog een stap verder. Hij heeft namelijk ook echt een kever geprint. “In de wereld van de materiaalkunde is het heel belangrijk dat je een demonstrator maakt die laat zien dat je vinding ook echt werkt. En de keuze voor een dier ligt dan voor de hand, want er zijn tal van dieren die gebruik maken van iriseren en andere vormen van kleurverandering, bijvoorbeeld voor camouflage.”

Een bad van zuur

Maar hoe werkt die kever nu? Sol legt het uit. “Eerst heb ik een kever van hard plastic geprint, en daarop een schild aangebracht met fotonische inkt. Dat ging ook met een printer. Deze laag heb ik vervolgens behandeld met een zuur. Dit zorgt ervoor dat de kristallen in de inkt reageren op vocht. Bij meer vocht zwelt het materiaal als het ware op, waardoor de spiraalstructuur van de kristallen wordt opgerekt. Dit verandert ook de kleur (zie afbeelding hiernaast)”. 

In dit YouTube-filmpje zie je hoe Jeroen Sol de kever heeft geprint.

Het mooie is dat je gevoeligheid voor vocht kan manipuleren, door de moleculen minder of meer geladen te maken. “Dat biedt allerlei mogelijkheden voor toekomstige toepassingen.”

Vervolgens plaatste de onderzoeker de kever in een afgesloten ruimte waar hij de luchtvochtigheid kon controleren. Bij meer vocht werd de groene kever langzaam roder en roder. Bracht hij het vochtniveau weer terug, dan werd de kever weer groen.

“Dat laatste is cruciaal”, zegt Sol. “Dat betekent dat het effect reversibel is. Het kan daarom zonder dat de gebruiker het hoeft te resetten, weer opnieuw worden gebruikt als sensor of actuator.”

Toekomst

De jonge onderzoeker praat met aanstekelijke geestdrift over zijn onderzoek. “Ik vind het erg belangrijk dat we duidelijk maken aan de buitenwereld waar wetenschappers mee bezig zijn. Ze hoeven echt niet alles te begrijpen, maar ze moeten wel weten wat wij doen. Daarom vind ik onderwijs ook zo leuk. Kennis overbrengen aan andere mensen.”

De onderzoeker heeft inmiddels een nieuwe baan gevonden bij een spin-off van zijn onderzoeksgroep, Lusoco. Het bedrijf werkt aan de ontwikkeling van fluorescerende inkt voor bijvoorbeeld verlichting, energieopwekking en gebouwen.

“Daar kijk ik erg naar uit. Bovendien is het bedrijf gevestigd op de campus, dus voorlopig ben ik hier nog niet weg!”

Meer informatie

Jeroen Sol e.a., Direct Ink Writing of 4D Structural Colors, Advanced Functional Materials.

Jeroen Sol, Cholesteric Liquid Crystals in Additive Manufacturing (proefschrift); begeleiders: Albert Schenning, Michael Debije.