Donderdag 28/05/2020

bio-inspiratie produceert steeds meer materialen met verbijsterende eigenschappen

'Namibische kever leidde tot systeem van waterwinning in droge gebieden, dankzij lotusbloem is er nu zelfreinigende gevelverf

Wetenschappers stekennatuur naar de kroon

Zou het niet leuk zijn als de spiegel niet aangedampt is als u uit bad komt? Of als oppervlakken, zoals die in een keuken, zichzelf konden reinigen? De redding is nabij, en wel uit onverwachte hoek. Lotusplanten en gekko's hebben wetenschappers op lumineuze ideeën gebracht, simpelweg door de natuur na te bootsen.

De lotus, in veel Aziatische culturen een heilige bloem, heeft zelfreinigende bladeren. Vuil krijgt er geen vat op. Een waterdruppel zal een bijna volmaakt, schitterend bolletje vormen, terwijl zo'n druppel op gewone bladeren platter en doffer is.

Wilhelm Barthlott, een Duitse botanicus, ontdekte het geheim van de lotus in de jaren zeventig en heeft tientallen jaren gewerkt aan de ontwikkeling van een zelfreinigend product. In 1999 verscheen de eerste zelfreinigende gevelverf op de Duitse markt. Die heeft succes, maar er zijn nog meer interessante toepassingen op komst.

Het geheim van het lotusblad en de verf met lotuseffect heeft niets te maken met de krachten van levende wezens maar alles met grootte: nanotechnologie. Het lotusblad bevat kleine oneffenheden van een wasachtige substantie. Wasachtige oppervlakken stoten water af en hobbelige wasachtige oppervlakken doen dat nog beter. Dat zogenaamde lotuseffect zette mensen aan het denken. Zou er ook een antilotuseffect bestaan, dat aantrekt in plaats van afstoot?

Dat is net wat titaniumdioxide doet, het pigment dat in witte verf wordt gebruikt. Dunne laagjes titaniumdioxide zijn bijna transparant. Wanneer ze met zonlicht geladen zijn, breken ze vuil af en zullen regen en condenserende damp lagen vormen op het oppervlak. Die lagen rollen weg, zodat het oppervlak schoon en droog achterblijft.

De bekendste toepassing van zelfreinigend titaniumdioxide is ActivTM, een glas van de Britse fabrikant Pilkington. De superbevochtigende eigenschappen van titaniumdioxide hebben veel toepassingen gevonden, maar de behoefte aan direct zonlicht is een handicap. Een team van het Massachusetts Institute of Technology, geleid door Michael Rubner, heeft nu superbevochtigende oppervlakken van nanodeeltjes silicium geproduceerd. Silicium is de scheikundige grondstof van glas, zodat de werking uitsluitend te danken is aan de nanostructuur van de deeltjes.

Maar het laatste woord in de manipulatie van water met nanomechanismen is nog niet gezegd. In 2001 ontdekte Dr. Andrew Parker, een onderzoeker aan de universiteit van Oxford, een Namibische woestijnkever die een combinatie van zeer sterke aantrekking en afstoting gebruikt om uit mist water te produceren. Dat mechanisme wordt nu door QinetiQ, een Brits technologiebedrijf, ontwikkeld als een manier om water te winnen in droge streken.

Zelfreinigende verf, glas en spiegels maken deel uit van een prille wetenschap die 'bio-inspiratie' heet en de natuur als bron van nieuwe technische producten gebruikt. Een andere belangrijke tak heeft te maken met de kleefkracht van de voet van de gekko. Ook daar heeft men onlangs een doorbraak bereikt.

Gekko's lopen moeiteloos ondersteboven over een plafond. Een dode gekko blijft aan de muur hangen. Net als bij de lotus heeft dat niets te maken met een levende kracht maar met een technisch detail. De voet van de gekko is immers bedekt met miljarden fijne haartjes. De haartjes scheppen de hechtkracht dankzij een natuurlijk principe, de kracht van Van der Waal. De wetenschap kent die kracht al 130 jaar, maar heeft pas in 2000 het verband met de gekko bevestigd. De hechtkracht van de gekko is het resultaat van een matrix van fijne haartjes. Toen een team van de University of California in Berkeley en het Lewis and Clark College in Oregon zijn resultaten in 2000 bekendmaakte, verklaarde het: "Hoewel de menselijke technologie niet in staat is om fijne, dicht opeengepakte haartjes zoals die van de gekko te produceren, kan de natuurlijke technologie van de voethaartjes van de gekko een biologische inspiratie zijn voor het toekomstige ontwerp van een opmerkelijk efficiënte kleefstof."

Maar de nanotechnologie, de wetenschap van het uiterst kleine, evolueert snel. Het team van Berkeley heeft al synthetische haartjes ontwikkeld die even fijn zijn als die van de gekko, hoewel hun materiaal (polyimide plastic) minder effectief is dan de zachte, kleverige gekkohaartjes.

Een onderzoeker van de universiteit van Manchester baarde in 2002 opzien met een stukje synthetische gekko-kleefband, dat hij gebruikte om een Spiderman-pop aan het plafond vast te plakken.

Een team van Akron in Ohio heeft een gekkomatrix gemaakt met behulp van nanobuisjes van koolstof. Die buisjes zijn de lievelingen van de nanotechnologie - een oplossing op zoek naar een probleem. En dat is nu gevonden. We kunnen ons nanobuisjes van koolstof gemakkelijk voorstellen: ze lijken op minuscuul kippengaas. Koolstof is een opmerkelijk atoom, de ruggengraat van elk levend wezen. Het verhaal van de nanobuisjes begon in 1985, toen een nieuwe vorm van koolstof werd ontdekt, een bolvormige molecule met 60 koolstofatomen in dezelfde patronen als een voetbal, een mengeling van zeshoeken en vijfhoeken. Het nanobuisje heeft een soortgelijke structuur, maar is uitgerold als een lange cilinder met hexagonale koppelingen tussen de koolstofatomen.

In 2000 ontdekte een team onder leiding van professor Bingqing Wei van het Rensselaer Polytechnic Institute, New York State, een manier om op een siliconensjabloon zuiltjes van nanobuisjes te doen groeien. Weis matrices van nanobuisjes waren geschikt om synthetische gekkohaartjes te produceren. Zijn oorspronkelijke matrices waren vrij grof: 10 micrometer diameter. Maar omdat individuele nanobuisjes zo fijn zijn, kan men ze gemakkelijk op gekkoafmetingen doen groeien.

Wei werkt momenteel aan een gekkomatrix, maar een ander team heeft al resultaten over een soortgelijke matrix gepubliceerd. Ali Dhinojwala leidt in Akron, Ohio, een team dat een collega van Wei uit Rensselaer omvat. Zij hebben een gekkomatrix gemaakt die tweehonderd keer sterker zou zijn dan natuurlijke gekkohaartjes. De meeste onderzoekers zouden al blij zijn als ze de gekko konden evenaren, zodat de extra kracht sensationeel is.

Het spectaculairste idee voor een commerciële toepassing is de klimhandschoen, waarmee je aan een muur zou kunnen hangen. De gekko bezit een mechanisme waarmee hij zich willekeurig kan vastplakken en losmaken. De handschoenen zullen even ingenieus moeten zijn.

Het team van Berkeley heeft vorig jaar octrooi genomen op een hele lijst van mogelijke toepassingen, zoals valse nagels, instrumenten voor cleanrooms, tape om insecten te vangen. Zoals bij alle innovaties kan niemand de belangrijkste toepassingen voorspellen, maar zelfreinigende oppervlakken en gekkokleefband tonen hoe de bio-inspiratie steeds meer materialen met verbijsterende eigenschappen produceert. De enige rem op hun mogelijkheden is die van onze fantasie.

© The Independent

The Gecko's Foot: Bio-inspiration Engineered from Nature' van Peter Forbes is uitgegeven door Fourth Estate

slimme ideeën van flora en fauna

Tot 1996 wisten de wetenschappers niet hoe insecten vliegen. Nu bootsen ze hun mechanisme na om kleine, heel beweeglijke luchtrobots te bouwen die bijvoorbeeld een kijkje kunnen nemen in ingestorte gebouwen om via de radio informatie over overlevenden terug te sturen. Nog enkele voorbeelden van slimme ideetjes uit de natuur.

1. Vlinders en een aantal dieren die op de zeebodem leven, zoals de zeemuis, gebruiken lichtmanipulatietechnieken die optische ingenieurs in nieuwe optische computers hopen te gebruiken.

2. Spinnendraad, die sterker is dan staal, wordt gebruikt in het onderzoek naar textiel voor kogelvrije vesten, zonnezeilen...

3. Fagen - merkwaardige virusachtige organismen die in onze darmen op bacteriën leven - kunnen veel kleinere chips produceren dan met siliconen mogelijk is.

4. De manier waarop de bladeren van de haagbeuk en de beuk zich openen leidde tot de de matrix van zonnecellen van satellieten.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234