Vloeibaar-kristal-elastomeer: rubber dat zichzelf beweegt
Een vloeibaar-kristal-elastomeer, vaak afgekort tot LCE (van het Engelse liquid crystal elastomer), is een kunststof die van vorm verandert zodra je hem verwarmt, met licht beschijnt of aan vocht blootstelt. Het materiaal krult, buigt of trekt zichzelf samen, en veert daarna vanzelf weer terug naar de oorspronkelijke vorm. Het bijzondere is dat dit gebeurt zonder motor, batterij of elektronica: de beweging zit als het ware ingebakken in het materiaal zelf.
Je kunt het vergelijken met een spier. Een gewone spier trekt samen doordat eiwitten in de spiervezel op een signaal reageren; een LCE doet iets vergelijkbaars op moleculair niveau, maar dan met kunststof. Stel je een dun strookje van dit materiaal voor dat op kamertemperatuur plat en slap ligt, maar dat zich binnen enkele seconden om een potlood krult zodra je het met een föhn verwarmt. Zulke bewegende, bijna "levende" kunststoffen vormen de basis voor een nieuwe generatie zachte robots, kunstspieren en zelfvouwende structuren.
Wat is het precies?
Om te begrijpen hoe een LCE werkt, moet je eerst weten wat een vloeibaar kristal is. Dat klinkt tegenstrijdig, maar het is een tussenvorm tussen een vloeistof en een echt kristal. De moleculen zijn staafvormig en kunnen, net als in een vloeistof, langs elkaar heen bewegen, maar ze hebben de neiging om spontaan in dezelfde richting te gaan liggen, zoals lucifers die je losjes in een doosje schudt: ze schuiven nog wat heen en weer, maar wijzen allemaal ongeveer dezelfde kant op. Dit soort geordende vloeistoffen wordt al decennialang gebruikt in lcd-schermen.
Een elastomer is iets heel anders: een rubberachtig materiaal opgebouwd uit lange polymeerketens die onderling chemisch zijn "verknoopt", een beetje zoals een visnet van draden die op knooppunten aan elkaar vastzitten. Daardoor kan het materiaal uitrekken en weer terugveren naar zijn oorspronkelijke vorm, net als een elastiekje.
In een LCE worden deze twee principes gecombineerd. De staafvormige vloeibaar-kristalmoleculen, mesogenen genoemd, worden ingebouwd in of vastgemaakt aan het polymeernetwerk. Tijdens de fabricage worden ze mechanisch uitgerekt of in een magneetveld gelegd, zodat ze allemaal dezelfde kant op wijzen voordat het netwerk definitief wordt verknoopt. Het resultaat is een rubberachtig materiaal met een ingebouwde, richtingsafhankelijke ordening.
Verwarm je dit materiaal tot boven een bepaalde temperatuur, het zogeheten heldpunt, dan verliezen de mesogenen abrupt hun onderlinge uitlijning: het vloeibaar kristal wordt een gewone, ongeordende vloeistof. Omdat de mesogenen aan het polymeernetwerk vastzitten, trekt het hele materiaal zich daardoor samen in de richting waarin het was uitgelijnd, en zet het juist uit in de andere richting. Koel je af, dan keert de ordening terug en veert het materiaal weer terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Naast warmte kunnen ook licht (via lichtgevoelige kleurstofmoleculen zoals azobenzeen die in het netwerk zijn verwerkt), vocht, oplosmiddelen of elektrische velden als trigger dienen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grote doel van LCE-onderzoek is het maken van zachte actuatoren: onderdelen die bewegen of kracht uitoefenen zonder de motoren, tandwielen en batterijen die je in traditionele machines nodig hebt. Dat maakt apparaten in potentie lichter, stiller, goedkoper en beter geschikt voor krappe of gevoelige omgevingen.
Concreet denken onderzoekers aan kunstspieren voor zachte robots, grijpers die voorzichtig met breekbare of levende objecten kunnen omgaan, en medische toepassingen zoals capsules die pas bij lichaamstemperatuur opengaan om medicijnen af te geven, of minimaal-invasieve instrumenten die zich in het lichaam kunnen vervormen. Ook wordt gekeken naar slimme textiel dat zich aanpast aan temperatuur of vocht, optische elementen waarvan de eigenschappen veranderen met licht, en zogeheten 4D-printen: 3D-geprinte objecten die na het printen nog vanzelf van vorm veranderen.
De onderliggende belofte is dat je beweging "programmeert" in het materiaal zelf, in plaats van in aparte elektronica en mechaniek. Dat past bij een bredere trend in de zachte robotica, waarin onderzoekers proberen af te stappen van starre, op mensen en dieren geïnspireerde constructies met veel bewegende onderdelen.
Voorbeelden uit de praktijk
De theoretische basis werd al in de jaren zeventig gelegd door de Franse natuurkundige Pierre-Gilles de Gennes, die beschreef hoe je vloeibaar-kristalordening en de elasticiteit van rubber zou kunnen combineren tot een materiaal met opmerkelijke mechanische eigenschappen. Het duurde daarna nog jaren voordat dit ook echt praktisch te maken was.
Een belangrijke doorbraak kwam in 1991, toen de Duitse chemicus Heino Finkelmann van de Universiteit Freiburg een tweestapsmethode publiceerde om LCE's te maken waarin de moleculen over het hele materiaal netjes in één richting zijn uitgelijnd. Deze methode geldt nog altijd als een van de hoekstenen van het vakgebied en wordt in vrijwel elk overzichtsartikel over LCE's genoemd.
Aan de Universiteit van Cambridge heeft de groep van natuurkundige Eugene Terentjev jarenlang onderzoek gedaan naar LCE-vezels als kunstspieren, waarbij dunne draden van het materiaal zich bij verwarming net zo snel en krachtig samentrekken als spierweefsel.
Sinds de jaren 2000 en 2010 hebben verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd gewerkt aan lichtgestuurde LCE's, waarin azobenzeen-moleculen zijn verwerkt die van vorm veranderen zodra ze ultraviolet licht absorberen. Dat verstoort lokaal de ordening van het vloeibaar kristal, waardoor het materiaal zich buigt richting de lichtbron, zonder dat er warmte, kabels of batterijen aan te pas komen.
Sinds ongeveer 2017-2018 is daar een nieuwe onderzoekslijn bijgekomen: het 3D-printen van LCE's, waarbij de printkop tijdens het printen tegelijk de uitlijningsrichting van de mesogenen bepaalt. Zo kunnen onderzoekers complexe, van tevoren "geprogrammeerde" vormveranderingen ontwerpen, van bloemblaadjes die zich openen tot grijpertjes die zich om een object sluiten.
Hoe ver is de techniek?
Vloeibaar-kristal-elastomeren zitten grotendeels nog in de onderzoeksfase. Er zijn talloze laboratoriumdemonstraties, van kruipende "rupsrobotjes" tot kunstspiervezels en lichtgestuurde grijpers, maar grootschalige commerciële producten op basis van LCE's zijn er nog nauwelijks.
De belangrijkste mijlpalen liggen achter elkaar: de theoretische voorspelling in de jaren zeventig, de eerste goed uitgelijnde materialen begin jaren negentig, de opkomst van lichtgestuurde varianten in de jaren daarna, en recenter de mogelijkheid om vormverandering via 3D-printen precies te "programmeren".
De obstakels zijn vooral praktisch van aard. Het nauwkeurig uitlijnen van de mesogenen is op laboratoriumschaal goed te doen, maar lastig op te schalen naar goedkope massaproductie. De reactiesnelheid is doorgaans traag: seconden tot minuten, waar elektromotoren in milliseconden reageren. De kracht die de materialen kunnen uitoefenen is meestal nog beperkt vergeleken met conventionele actuatoren, en het is nog onduidelijk hoe goed de materialen duizenden bewegingscycli doorstaan zonder te verzwakken of te scheuren. Ook de synthese van geschikte grondstoffen is relatief kostbaar. Onderzoek richt zich daarom vooral op snellere respons, hogere krachtuitoefening, betere printtechnieken en biocompatibele varianten voor medisch gebruik.
Wie werken eraan?
Het veld is ontstaan in Europa, met de Universiteit Freiburg in Duitsland als een van de bakermatten dankzij het werk van Finkelmann, en de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk als belangrijk centrum voor onderzoek naar LCE-kunstspieren.
In de Verenigde Staten doen diverse universiteiten met een sterke traditie in zachte robotica en materiaalkunde onderzoek naar LCE-actuatoren, vaak in combinatie met 3D-printen en lichtgestuurde systemen. Ook in Nederland is relevante expertise aanwezig: aan de TU Eindhoven doet de onderzoeksgroep rond materiaalkundige Dirk Broer al lange tijd baanbrekend werk aan vloeibaar-kristalnetwerken en lichtgevoelige polymeren, een vakgebied dat nauw verwant is aan LCE's.
Daarnaast groeit de onderzoeksactiviteit rond LCE's de laatste jaren sterk in China, waar meerdere universiteiten en instituten publiceren over zowel fundamentele materiaaleigenschappen als toepassingen in zachte robots. Het veld blijft vooralsnog overwegend academisch gedreven: er zijn wel start-ups en gevestigde bedrijven in zachte robotica en slimme materialen die de technologie verkennen, maar grote, algemeen bekende commerciële spelers zijn er op dit moment nog niet.