31 dec. 2000
3 minuten
Een kunststof bekertje dat hergebruikt kan worden zonder het af te wassen, simpelweg omdat de verontreiniging er vanaf glijdt? Een zelfreinigend oppervlak, zoals het blad van de Lotusplant, is ideaal voor veel toepassingen in consumentenproducten.
Die natuurlijke eigenschappen zijn na te bootsen door een kunststof oppervlak te voorzien van een ‘Lotusstructuur’: vloeistof rolt er, net als bij het blad, vanaf en neemt vuil onderweg mee. Promovendus Max Groenendijk van de vakgroep Toegepaste Laser Technologie, onderzoeksinstituut IMPACT van de Universiteit Twente, past een ultrasnelle femtoseconde laser toe om oppervlakken te behandelen en haalt daarmee verbluffende resultaten.
Foto: Links een druppel op een Lotus-gestructureerd oppervlak, rechts een druppel op een glad, maar wel hydrofoob oppervlak.
Het geheim van het lotusblad zit in talloze kleine ‘pilaartjes’ die ook nog eens een waslaagje op hun top hebben. Waterdruppels worden hierdoor opgetild, vormen een bolletje en kunnen eenvoudigweg niet uitsmeren. En ook vuil krijgt geen kans zich aan het oppervlak te hechten door contact met water: de druppels rollen als bolletjes van het ogenschijnlijk gladde oppervlak af en ze nemen het vuil mee. De natuur is voor de laser-onderzoekers inspiratiebron geweest om vergelijkbare oppervlakken te maken, maar dan het liefst ook nog zonder een waslaag. Dat is nu gelukt met een laser die ultrakorte lichtpulsen uitzendt: femtoseconden (een femtoseconde is 10-15 seconde ofwel een miljardste microseconde). De pulsen zijn zo kort dat het oppervlak bijna met lichtkogeltjes wordt beschoten.
Ribbels en groeven
Groenendijk past de laser op twee manieren toe. Tijdens het eerste ‘lichtbombardement’ krijgt het oppervlak een heel fijne ribbelstructuur. Die wordt veroorzaakt door een bijzonder zelforganiserend effect dat voor bijna alle typen oppervlakken blijkt op te treden: telkens als er door de laser materiaal wordt verwijderd ontstaat er op de ‘bodem’ een patroon van ribbels, dat te sturen is met de parameters van de laser. Een lagere bewerkingssnelheid geeft bijvoorbeeld een chaotischer vorm van de ribbels. Ook andere parameters als polarisatie en intensiteit van de laser hebben grote invloed op de zelforganisatie.
De tweede slag is het schrijven van een patroon van groeven in het oppervlak. Wat daarbij resteert zijn pilaartjes zoals ze ook op een lotusblad zitten. Dankzij de eerste stap hebben de pilaartjes meteen ook een fijne ribbelstructuur. Deze dubbele structurering heeft zeer positieve invloed op het waterafstotend vermogen van het oppervlak. Oppervlakken rechtstreeks behandelen zou veel te kostbaar zijn, daarom maakt Groenendijk met de laser matrijzen, waarmee seriematige productie mogelijk is via spuitgieten.
Zijde-achtig plastic
Met de lasertechniek haalt Groenendijk uitstekende resultaten. Zelfs op materialen die van zichzelf waterafstotend zijn, kan een druppel nog steeds enigszins uitsmeren. Na het aanbrengen van een lotusstructuur is dit verleden tijd: de druppel vormt een bolletje en rolt van het oppervlak af. En behalve de vuilafstotende eigenschappen wordt ook het ‘gevoel’ beïnvloed dat een gebruiker ervaart bij het aanpakken van het materiaal: op het oog is er niet veel veranderd, maar het materiaal voelt zijde-achtig aan. Dat kan een extra verkoopargument zijn bij trendy consumentenproducten.
Structureren of coating aanbrengen
Om het ‘Lotuseffect’ te bereiken, zijn verschillende technieken mogelijk. Behalve de fysieke behandeling van het oppervlak, zoals Groenendijk demonstreert, is het ook mogelijk een coating aan te brengen. Een coating zonder structuur kan echter nooit de extreme resultaten behalen van de Lotusplant of de door Groenendijk gemaakte plastic oppervlakken. Er zijn ook coatings die zelf een oppervlaktestructuur hebben en daarmee zeer waterafstotend zijn. Daarnaast geeft een combinatie van een gestructureerd oppervlak en een coating goede resultaten: die laatste techniek heeft Groenendijk ook al onderzocht, samen met de onderzoeksgroep Membraantechnologie die, evenals zijn eigen groep, deel uitmaakt van het UT-instituut IMPACT (Institute for Mechanics, Processes and Control Twente).