Pak een blikje cola en draai de uiteinden in tegengestelde richting. Het blikje knikt in het midden en is onbruikbaar. Stel je nu eens voor dat het blikje netjes vanuit het midden over de hele lengte uniform tot de helft zou krimpen. Met het nieuwe materiaal dat Aref Ghorbani ontwierp, kan dat. Zijn werk haalde Nature Communications.
Aan de basis van Ghorbani’s vondst liggen zogeheten holey sheets. Dat is van elastische kunststof gemaakt materiaal met een regelmatig raster van cilindervormige ruimtes. Die structuur maakt het bijzonder. Ghorbani: ‘Als je rubber samenknijpt, dijt het uit in zijwaartse richting. Dat is normaal. Maar dit materiaal dijt niet uit, het krimpt.’
Opvouwen
Dat krimpen ontstaat doordat het materiaal zich op een regelmatige manier opvouwt in de cilindervormige holtes. De stof verdicht en krimpt dus. Tot zover niets nieuws. Ghorbani ging een stap verder en maakte van dit materiaal cilindrische hulzen en onderzocht hoe die reageren op vervorming. Dat was nog niet eerder gedaan. ‘Ik heb me gericht op het verdraaien – torderen – omdat materialen normaal gesproken dan gaan knikken en onbruikbaar worden.’
Bij dat verdraaien gebeurt iets magisch wanneer de holtes niet netjes recht boven elkaar liggen, maar spiraalvormig schuin boven elkaar: de spiraalvormige – helische – huls krimpt om de lengte-as, maar knikt niet. De krimp start vanuit het midden en groeit naar de uiteinden van de huls. Het buisje dat resteert is niet alleen smaller, maar ook veel steviger.
Stabieler
En dat laatste is handig voor praktische toepassingen. Ghorbani: ‘Door het draaien wordt de cilinder smaller, dichter en stabieler. De cilinder is daardoor minder gevoelig voor knikken. Een vloeistof in zo’n cilinder die gedraaid wordt, kan daardoor blijven stromen en wordt niet afgekneld. Hoe groter de verdraaiing, hoe steviger het materiaal wordt. Dat was een verrassing.’
Een perfecte cilinder maken die dit gedrag vertoont, is overigens knap lastig. De spiraal van holtes moet precies ‘passen’ en moet de juiste hoek maken. Dat is overigens geen ‘trial and error’, maar een kwestie van wiskunde. Ghorbani gebruikte vervolgens een 3D-printer om zijn hulzen, die hij meta-shells noemt, te bouwen.
Het gaat erom de ingrediënten van het ontwerp die deze eigenschappen veroorzaken, te begrijpen
Aref Ghorbani, onderzoeker Physics and Physical Chemistry of Foods
Ghorbani ontrafelde ook de fysica achter het merkwaardige gedrag van zijn meta-shells. Die fysica verklaart ook waarom het krimpen alleen maar plaatsvindt bij draaiing tegen de richting van de spiraal in. Ghorbani: ‘Verschillende vormen leiden tot verschillende eigenschappen. Het gaat erom de ingrediënten van het ontwerp die deze eigenschappen veroorzaken, te begrijpen. Als je die regels kent, kun je eigenschappen creëren die met conventionele materialen niet mogelijk zijn.’
Injectiespuit
Als proof -of-principle maakte Ghorbani van zijn magische huls een injectiespuit. ‘Het krimpmechanisme kun je gebruiken als pomp’, licht hij toe. ‘Een draaiende beweging wordt hierbij omgezet in een uniforme krimp. Dat krijg je op een andere manier niet zomaar voor elkaar. Het voordeel is dat als je de verdraaiing loslaat, de pomp vanzelf weer terug veert naar de begintoestand.’
