Wriemelend plastic levert energie
Bastienne Wentzel

8 oktober 2013, C2W

Een stukje plastic dat beweegt door licht of vocht. Het klinkt als science-fiction, maar deze materialen bestaan echt. Met deze slimme materialen kun je stroom opwekken, een klepje maken of iets inpakken.

Het rode plastic visje wriemelt onrustig in de klamme hand. Door zijn bewegingen voorspelt het de karaktertrekken van degene die hem vasthoudt. De Fortune Telling Fish heeft natuurlijk net zo veel voorspellende waarde als een Chinees gelukskoekje, maar er zit wel interessante chemie in het rode visje. Het is gemaakt van een dun velletje natriumpolyacrylaat, de absorberende gel in luiers. De geladen acrylaatgroepen absorberen vocht van je hand waardoor de gel uitzet. Gebeurt dat aan één zijde van een dun stukje plastic, dan krult het velletje om naar de andere kant. Overigens gebruikt een embryo dezelfde strategie van het binden van water aan een polymeer om tijdens zijn ontwikkeling nieuw weefsel in de juiste vorm te krijgen.
Serieuzere toepassingen van dit principe zijn inmiddels onderweg. Wetenschappers werken al lang aan zogeheten polymere actuators, materialen die bewegen onder invloed van een stimulus van buitenaf zoals vocht, licht of een elektrisch veld. Het doel van deze motortjes is bijvoorbeeld bewegingsenergie leveren. Soms kan die energie worden omgezet in stroom. Dat lieten onderzoekers van het MIT begin dit jaar zien. Zij maakten in feite het visje na met andere materialen, namelijk een netwerk van polypyrrol en polyolboraat. De eerste is flexibel en stevig, de tweede zwelt op tot een gel door absorptie van water. Met hulp van een piëzoelektrisch materiaal (polyvinylideendifluoride in dit geval) dat beweging omzet in stroom wekten ze ruim vijf nanowatt vermogen op met een stukje rondhoppend plastic. Nog niet schokkend veel: het laden van een mobiele telefoon kost vijf watt, maar de onderzoekers denken toch dat dit materiaal in de toekomst miniatuurelektronica van elektriciteit kan voorzien door meerdere lagen op elkaar te stapelen en zo meer stroom op te wekken. Ze claimen verder dat het materiaal een vracht kan verplaatsen die tien keer zwaarder is dan zichzelf, en objecten kan optillen die 380 keer zwaarder zijn.
Ook een groep Portugese en Amerikaanse onderzoekers lukte het om een stuk plastic arbeid te laten verrichten. Ze lieten een wieltje te laten draaien met een stuk polymeer. Ze maakten een dunne band van hydroxypropylcellulose en spanden die over twee wieltjes, als een V-snaar over de poelies in een automotor. Door vocht zet een deel van de polymeerfilm uit waardoor de wieltjes gaan draaien.

Bloem bij nacht
De Eindhovense onderzoeker Albert Schenning vindt het mooi onderzoek: 'Watergradiënten vind je overal in de natuur. Het is mooi dat die nu is gebruikt om een beweging op te wekken en om te zetten in elektrische energie. Dat laatste is nieuw.' Schennings groep beheerst een vergelijkbaar kunstje. Zij maken een polymeer van geordende vloeibaar kristallijne monomeren (zie ook C2W1, 2013). Onder invloed van bijvoorbeeld water of licht verandert krimpt of zwelt het materiaal in verschillende richtingen. Je kunt op die manier een stukje plastic maken dat buigt, maar het kan veel complexer, vertelt Schenning. 'Als je zorgt dat het materiaal in de richting van de cirkel krimpt en loodrecht erop juist uitzet onder invloed van in ons geval infrarood licht, dan krijg je een kommetje. De krimpeigenschappen kunnen we beïnvloeden door de ordening van de mesogenen, de vloeibaar kristallijne monomeren te veranderen. We kunnen ze naar keuze in een cirkel of radiaal uitlijnen, met behulp van maskers en gepolariseerd licht. Daarna polymeriseren we de uiteinden van de mesogenen zodat de ordening vastligt.' Schenning is geïnspireerd door de natuur: 'Een bloem die zich 's avonds sluit wanneer het donker wordt is een prachtig voorbeeld van een responsief materiaal. Dat kunnen we nu namaken.'
Toepassingen zijn nog niet concreet, maar Schenning onderzoekt onder meer een verpakking voor cellen die zich opent op commando op de plaats van bestemming. Dat kan gebruikt worden voor onder andere stamceltherapie, zegt Schenning. Wanneer stamcellen zomaar worden geïnjecteerd gaan ze vaak dood of worden afgestoten. Wanneer je ze inpakt in een polymeer is de kans op afstoting kleiner en kunnen de cellen gerichter op de plek van bestemming afgeleverd worden.
 

Aantrekkingskracht
Een andere klasse bewegende polymeren reageert op lading. Deze zogeheten dielectrische elastomeren (elastische polymeren) worden tussen twee elektroden gesandwicht. Wanneer er spanning op de elektroden wordt gezet vervormt het polymeer door de aantrekking van de tegengestelde ladingen. Die vervorming kan arbeid leveren om bijvoorbeeld een klep  te sluiten van in microfluidische gas- en vloeistofstystemen.
Onderzoeker Arjen Boersma van TNO vertelt dat vaak siliconen worden gebruikt voor deze toepassing, maar die  hebben een lage dielektrische constante. 'Dat betekent dat er een zeer hoge spanning nodig is om het materiaal te laten bewegen, tot wel vijfduizend volt. Wij gebruiken polyacrylaten die we met zeer polaire zijketens zoals nitrillen hebben gemodificeerd.  Bijkomend voordeel is dat deze  polymeren in situ, dus op de plaats van de toepassing, met behulp van UV licht kunnen worden uitgehard. Veel siliconen zijn thermische harders, die moet je van te voren uitharden wat problemen kan opleveren als je het daarna in een klein apparaat wilt verwerken.'
De onderzoekers maakten zeer dunne laagjes polymeer  van 10 mm dik. Met een spanning van 200 V kon een gewichtje van 50 gram een paar millimeter worden opgetild. De onderzoekers maakten micro-afsluiters van deze polymeren die gebruikt worden in vloeistof- en gasleidingen van bijvoorbeeld analytische apparaten. Ook zijn ze geschikt voor gebruik in membraanpompen, die werken doordat een soepel membraan door een zuiger op en neer bewogen wordt. Zo ontstaat een volumeverandering die gebruikt wordt om de vloeistof te verpompen. De zuiger wordt in dit geval in werking gezet door het bewegende polymeer dat door TNO is ontwikkeld. Ten slotte is het materiaal geschikt als kleine schakelaar voor signalen in mobiele telefoons.
Het principe werkt ook andersom, zoals het Deense bedrijf Danfoss laat zien. Zij maken een flexibele strook polymeer met flexibele elektroden boven- en onderop. Wanneer de strook polymeer met een gewicht wordt uitgerekt ontstaat er een spanningsverschil dat kan worden gebruikt als stroomvoorziening. Het bedrijf denkt dat dit materiaal een belangrijke rol kan spelen in het opwekken van duurzame energie uit bijvoorbeeld golven, wind of vibraties.
 
Raam en gordijn in één
Boersma gebruikte dezelfde acrylaatpolymeren voor een ander doel: het maken van slimme ramen. 'Het blijkt mogelijk te zijn een coating te maken die op microscopisch niveau ruw wordt wanneer je er spanning op zet. Onder invloed van een elektrisch veld ontstaan kleine rimpels op het oppervlak van het polymeer. Het laagje polymeer is helder zonder die rimpels, en met de rimpels wordt het licht verstrooid, waardoor een matte film ontstaat. Je kunt dus schakelen tussen een lichtdoorlatend oppervlak en een diffuus verstrooiend oppervlak,' legt de onderzoeker uit. 'Het is daarnaast ook mogelijk om een schakelbare spiegel te maken die van reflecterend naar mat geschakeld kan worden.' Het materiaal is een copolymeer van acrylaten met verschillende zijgroepen zoals aromaten, cyanogroepen en urethaan. Een coating van dit materiaal kan de folie vervangen die nu vaak op ramen wordt geplakt om inkijk te voorkomen of inval van direct fel licht te voorkomen. Het grote voordeel van de nieuwe coating is dat de lichtdoorlaatbaarheid schakelbaar is. 'Er is momenteel een bedrijf geïnteresseerd in ons idee, vertelt Boersma. 'Zij bekijken dit jaar of het haalbaar is om er een commerciëel produkt van te maken.
 
Armworstelen tegen een robot
Spieren worden wel het biologische equivalent van elektroactieve polymeren genoemd, omdat deze eveneens met kleine elektrische spanninkjes worden aangedreven. JPL (een lab van NASA) doet onderzoek naar elektroactieve polymeren als kunstmatige spieren. De onderz oekers van het JPL organiseerden een wedstrijd armworstelen tussen van een mens tegen een robotarm. Bijzonder is dat de robotarm is gemaakt van polymere actuatoren. De robotarm mag enkel gemaakt zijn van electroactieve polymeren om het onderzoek daarnaar te stimuleren en om de wedstrijd zo eerlijk mogelijk te laten verlopen. Het doel van de wedstrijd is de ontwikkeling stimuleren van een robotarm van zacht materiaal (soft robotics) die vergelijkbare prestaties levert als een mensenarm. Tot nu toe wint de mens nog altijd.

Dit artikel is gepubliceerd in C2W nr 16, 20 september 2013.