PTFE-pantser verandert waterdruppel in vervormbaar materiaalsysteem

Een robot die zich door een nauwe opening perst, uiteenvalt in twee delen, weer samensmelt en onderweg een druppel vloeistof of een vast deeltje oppikt. Het klinkt als sciencefiction, maar onderzoekers van Seoul National University ontwikkelden een vloeibare robot die precies dat kan. Opvallend genoeg zit de innovatie niet in een nieuwe actuator of besturingstechniek, maar in een slim samengesteld materiaalsysteem waarin een vloeistof en kunststofdeeltjes samenwerken.

De studie, gepubliceerd in Science Advances, laat zien hoe de eigenschappen van een materiaal fundamenteel kunnen veranderen door de interactie tussen vloeistof, deeltjes en grensvlakken slim te benutten.

Meer dan een liquid marble

Het concept van een met hydrofobe deeltjes beklede vloeistofdruppel is niet nieuw. Dergelijke structuren, bekend als liquid marbles, worden al jaren onderzocht voor toepassingen in microfluïdica en chemische processen. Bij een klassieke liquid marble vormt een relatief dunne laag hydrofobe deeltjes een coating rond een vloeistofdruppel. De nieuwe constructie onderscheidt zich doordat de onderzoekers een veel dikkere en dichtere laag PTFE-vlokken aanbrengen. Daardoor ontstaat niet alleen een beschermende coating, maar een mechanisch dragende structuur.

Waarom juist PTFE?

De onderzoekers gebruiken superhydrofobe PTFE-vlokken met een gemiddelde afmeting van circa 34 micrometer. PTFE is vanwege zijn zeer lage oppervlakenergie nauwelijks bevochtigbaar door water. Daardoor blijven de deeltjes niet in de waterfase, maar positioneren zij zich spontaan op het grensvlak tussen water en lucht. Dat verlaagt de vrije energie van het systeem.

Wanneer voldoende deeltjes aanwezig zijn, ontstaat een vrijwel gesloten laag rond de druppel. De capillaire krachten op het grensvlak houden de deeltjes op hun plaats, terwijl onderlinge wrijving voorkomt dat zij gemakkelijk langs elkaar bewegen.

Van coating naar constructiemateriaal

De bijzondere eigenschappen ontstaan door een verschijnsel dat bekendstaat als particle jamming. Daarbij worden de PTFE-deeltjes zo dicht opeengepakt dat zij elkaar mechanisch blokkeren. De afzonderlijke deeltjes blijven weliswaar los van elkaar, maar gedragen zich gezamenlijk als een stevig netwerk.

Daardoor krijgt de vloeibare kern eigenschappen die normaal gesproken alleen bij vaste materialen voorkomen. De druppel kan worden samengedrukt, uitgerekt en vervormd zonder uiteen te vallen. Zodra de belasting verdwijnt, neemt de deeltjeslaag opnieuw een stabiele configuratie aan.

Het materiaal bevindt zich daarmee precies tussen een vloeistof en een vaste stof: voldoende vloeibaar om van vorm te veranderen, maar voldoende stabiel om mechanische belastingen op te nemen.

Materiaal bepaalt de functie

Het gedrag van deze ‘vloeibare robot’, zoals de onderzoekers de druppel noemen, wordt grotendeels bepaald door de materiaaleigenschappen van de buitenlaag. Onder invloed van ultrasone trillingen kan de druppel gecontroleerd bewegen. Daarbij blijft de gejamde PTFE-structuur intact, ook wanneer de robot zich door openingen beweegt die kleiner zijn dan zijn oorspronkelijke diameter. De onderzoekers demonstreren bovendien dat de robot uit elkaar kan vallen en weer samensmelten, en dat hij vaste deeltjes en vloeistoffen kan opnemen, meerdere druppels kan samenvoegen, en chemische reacties kan laten plaatsvinden nadat twee afzonderlijke robots zijn samengesmolten.

Nog geen medische robot

Hoewel de onderzoekers toepassingen noemen zoals gerichte medicijnafgifte, inspectie van moeilijk bereikbare ruimtes en adaptieve materiaalsystemen, bevindt de technologie zich nog in een vroeg onderzoeksstadium. De huidige demonstratoren zijn millimetergroot en worden extern aangestuurd met ultrasone golven.

De grootste betekenis van het onderzoek ligt daarom voorlopig in de ontwikkeling van programmeerbare materiaalsystemen. Door de combinatie van vloeistoffen met hydrofobe polymeerdeeltjes ontstaat een klasse materialen die eigenschappen van vloeistoffen en vaste stoffen verenigt. Juist dat principe kan op termijn leiden tot nieuwe toepassingen in zachte robotica, microfluïdica en functionele polymeren.