Corrugatie: hoe golfpatronen stijve materialen rekbaar maken
Denk aan een harmonica. Het instrument is gemaakt van karton en metaal, materialen die op zichzelf nauwelijks buigen, laat staan rekken. Toch kan een harmonica moeiteloos worden uitgetrokken en weer ingedrukt. Het geheim zit in de vorm: het balgdeel is geplooid in een golvend patroon. Niet het materiaal zelf rekt, maar de plooien vouwen open en dicht. Dat principe heet corrugatie, en het blijkt een verrassend krachtig trucje te zijn voor moderne technologie.
In de elektronica- en materiaalkunde gebruiken onderzoekers hetzelfde idee om keiharde, brosse materialen zoals siliciumchips, metalen draadjes of batterijfolie toch flexibel en zelfs rekbaar te maken. Door zo'n materiaal in een microscopisch golfpatroon te dwingen, kan het net als de harmonica meebewegen zonder te breken. Dat maakt het mogelijk om elektronica te bouwen die om een gewricht kan buigen, op de huid kan plakken of in een rekbare batterij kan zitten, zonder in te leveren op de elektrische prestaties van het oorspronkelijke stijve materiaal.
Wat is het precies?
Corrugatie is in de basis een mechanisch trucje, geen nieuw materiaal. Je neemt een dun laagje van een stijf, breekbaar materiaal, bijvoorbeeld kristallijn silicium, zoals in computerchips, en verbindt dat met een rekbare rubberachtige ondergrond die eerst is uitgerekt. Als de rubberen ondergrond daarna weer ontspant, krimpt hij terug naar zijn oorspronkelijke lengte. Het dunne, stijve laagje erbovenop kan die krimp niet volgen door simpelweg te verkorten, dus het knikt op regelmatige afstanden omhoog en omlaag. Er ontstaat een golfpatroon, vergelijkbaar met een opgerold tapijt dat te groot is voor de kamer.
Het slimme zit in wat er gebeurt als je zo'n gegolfd laagje daarna weer uitrekt. In plaats van dat de atomaire structuur van het silicium zelf wordt vervormd, wat het materiaal zou laten scheuren, vouwen simpelweg de golven verder open. Het materiaal 'rekt' dus eigenlijk niet echt, het ontvouwt zich. Pas als alle golven volledig zijn platgetrokken, komt de werkelijke rek van het materiaal in beeld. Zo kan een laagje silicium dat normaal bij minder dan een procent rek al breekt, functioneel tientallen procenten meebewegen.
Ingenieurs hebben dit basisidee de afgelopen twintig jaar verder verfijnd. In plaats van simpele golven gebruiken ze soms slangvormige, zigzaggende of zelfs golvende-lijnen-binnen-golvende-lijnen patronen, in de vakliteratuur 'self-similar' of fractal-achtige structuren genoemd. Hoe fijnmaziger en herhaaldelijker het patroon, hoe groter de uiteindelijke rekbaarheid, tot wel enkele honderden procenten toe. Op macroschaal kennen we ditzelfde principe trouwens al veel langer: golfkarton, gegolfd dakplaatmateriaal en metalen balgen in leidingen ontlenen hun stevigheid en flexibiliteit aan exact dezelfde geometrie.
Wat wil men ermee bereiken?
De onderliggende motivatie is een compromis dat ingenieurs al decennia dwarszit: de materialen met de beste elektrische eigenschappen, zoals kristallijn silicium en metalen zoals goud of koper, zijn van nature stijf en bros. Rubberachtige, rekbare materialen geleiden elektriciteit juist slecht of helemaal niet. Corrugatie belooft het beste van twee werelden: de elektronische prestaties van harde materialen combineren met de mechanische souplesse van rubber, zonder nieuwe, exotische materialen te hoeven uitvinden.
Dat opent de deur naar elektronica die niet langer in een hard, plat doosje hoeft te zitten. Denk aan sensoren die als een pleister op de huid plakken en meebewegen met elke rimpel en spiercontractie, aan batterijen die kunnen buigen in een zachte robotarm, of aan chips die om een katheter of hartklep passen. Voor dit soort toepassingen is niet alleen buigzaamheid nodig, wat al langer mogelijk is met dunne, flexibele folies, maar echte rekbaarheid: het materiaal moet kunnen meeveren met menselijke bewegingen zoals lopen, ademen of een vuist ballen.
Een tweede doel is duurzaamheid van het apparaat zelf. Elektronica die keer op keer moet buigen en rekken, faalt normaal gesproken snel doordat er scheurtjes ontstaan op plekken met de hoogste mechanische spanning. Door bewust een golfpatroon te ontwerpen, kunnen onderzoekers die spanning gelijkmatig verdelen en zo de levensduur van rekbare elektronica flink verlengen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste doorbraken kwam in 2006, toen de onderzoeksgroep van materiaalkundige John Rogers, destijds aan de University of Illinois at Urbana-Champaign, in het tijdschrift Science liet zien dat een laagje kristallijn silicium via gecontroleerde corrugatie omgezet kon worden in een rekbaar, functionerend elektronisch circuit. Dit werk geldt in het vakgebied als het startpunt van serieus onderzoek naar rekbare elektronica.
In 2011 publiceerde dezelfde groep, inmiddels verhuisd naar Northwestern University, een veelbesproken Science-artikel over 'epidermale elektronica': een flinterdun sensorplakkertje met golvende, slangvormige bedrading dat rechtstreeks op de huid past en signalen als hartslag, spieractiviteit en temperatuur kan meten, zonder dat het voelt als een apparaat. Dit onderzoek werd later commercieel doorontwikkeld door het spin-off bedrijf MC10 onder de naam BioStamp.
In 2013 volgde een stretchbare lithium-ionbatterij, beschreven in Nature Communications door onderzoekers uit dezelfde Rogers-groep. Door de stroomafnemers en elektroden in een zelfgelijkende, meervoudig golvende structuur te leggen, kon de batterij tot ongeveer driehonderd procent worden uitgerekt en weer teruggeveerd, terwijl hij bleef functioneren.
Ook in de zonne-energie is corrugatie onderzocht: verschillende laboratoria hebben dunne-film zonnecellen op golvende ondergronden geplakt om flexibele, deels rekbare fotovoltaïsche panelen te maken voor gebruik in kleding of gebogen oppervlakken. Dit werk staat over het algemeen nog dichter bij het laboratorium dan de voorbeelden hierboven.
Hoe ver is de techniek?
Het fundamentele mechanisme van corrugatie is inmiddels goed begrepen en al bijna twintig jaar experimenteel bevestigd. Voor medische en wearable sensoren heeft de techniek de sprong van laboratorium naar product al gedeeltelijk gemaakt: huidplakkers met gegolfde bedrading worden gebruikt in klinisch onderzoek en enkele commerciële gezondheidsmonitors. Het bedrijf MC10 kende overigens wisselend zakelijk succes en herstructureerde zich rond 2019, wat laat zien dat een werkende techniek nog niet automatisch een winstgevend product oplevert.
Rekbare batterijen en rekbare zonnecellen zijn duidelijk minder ver. Ze werken in het lab, maar kampen met lagere energiedichtheid, ingewikkelde en dure productieprocessen, en vragen om precisie op micrometerschaal die lastig op te schalen is naar massaproductie. Het maken van een betrouwbare, herhaalbare voorspanning in het rubberen substraat, de eerste stap van het hele proces, blijft technisch kwetsbaar voor fouten.
Voor gangbare consumentenelektronica, zoals smartphones of laptops, speelt corrugatie vooralsnog geen rol: die blijven plat en stijf. De techniek zit vooral in een niche van medische sensoren, onderzoeksprototypes en enkele specialistische toepassingen in zachte robotica. Een brede doorbraak naar alledaagse rekbare gadgets wordt door onderzoekers zelf nog niet op korte termijn verwacht.
Wie werken eraan?
De onderzoeksgroep van John Rogers, tegenwoordig aan Northwestern University in de Verenigde Staten, geldt als een van de meest toonaangevende op dit gebied en heeft veel van de kernpublicaties op zijn naam staan. Materiaalwetenschapper Yonggang Huang, eveneens verbonden aan Northwestern, leverde belangrijk theoretisch werk over de mechanica achter het buigen en golven van dunne materialen. Ook Zhigang Suo van Harvard University heeft invloedrijk onderzoek gedaan naar de mechanica van zachte en rekbare materialen in het algemeen.
Buiten de Verenigde Staten is het Belgische onderzoeksinstituut imec actief op het gebied van flexibele en rekbare elektronica, met toepassingen in gezondheidszorg en wearables. Ook diverse universiteiten in Zuid-Korea en China publiceren regelmatig over rekbare circuits en batterijen, vaak in samenwerking met of voortbouwend op het Amerikaanse pionierswerk. Daarnaast houden fabrikanten van medische sensoren en enkele start-ups zich bezig met het naar de markt brengen van huidplakkers en soortgelijke producten die op dit principe steunen.