De groep van Daniela Kraft is erin geslaagd een netwerk van microdeeltjes te creëren dat zowel sterk als volledig flexibel is. Dit klinkt misschien eenvoudig, maar toch zijn zij de eersten ter wereld die hierin slagen. Deze prestatie vertegenwoordigt een echte doorbraak in de fysica van zachte materie. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .

Ph.D. kandidaat Julio Melio bestudeert microscopisch kleine, flexibele netwerken en dat is geen gemakkelijke klus. In de natuur worden zulke micronetwerken aangetroffen in gels, polymeren of het cytoskelet van de cellen in je lichaam. "Deze materialen zijn buigzaam dankzij zogenaamde zachte modi, flexibele toestanden", legt Melio uit.

"We weten niet echt hoe de temperatuur deze toestanden beïnvloedt. Het is te ingewikkeld om dit in biologische systemen te bestuderen, dus hebben we in het laboratorium een ​​netwerk van microscopisch kleine bolletjes, colloïden, gemaakt. Het eenvoudigste systeem is een vierkant rooster. Dat kan vervormen tot een diamantachtige vorm bijvoorbeeld."

Een slimme techniek voor flexibele verbindingen

De onderzoeker koopt silicacolloïden en geeft ze een laagje lipiden. Vervolgens maakt hij een DNA-koppeling om de bollen met elkaar te verbinden. “We gebruiken twee soorten DNA-strengen die zich aan elkaar kunnen hechten en op colloïden kunnen plaatsen. Deze kunnen dan aan elkaar binden, maar niet aan een ander colloïd van dezelfde soort. Het bijzondere aan deze DNA-koppelingen is dat de gekoppelde deeltjes kunnen ten opzichte van elkaar bewegen. Het netwerk is dus flexibel."

Vervolgens begint de moeilijke taak om de kralen in de gewenste structuur te krijgen. Dat is een hele uitdaging, legt Melio uit. “Met een zogenaamd optisch pincet, een laser, pak je één colloïde op en breng je deze in contact met een tweede. Zo bouw je het rooster één voor één op.” Het systeem is echter uiterst gevoelig, waardoor je bij de minste verandering van omstandigheden kwalitatief slechte bollen krijgt die aan elkaar plakken. "En dan verliest het systeem zijn flexibiliteit", zegt Melio.

De eerste keer kostte het de Ph.D. kandidaat bijna driekwart van een jaar nodig om een ​​perfect vierkant raster van vijf bij vijf colloïden te maken. “Inmiddels kan ik het gelukkig een stuk sneller”, zegt hij. Dit maakt de groep van Kraft de eerste ter wereld die op zo'n gecontroleerde manier een grote microstructuur bouwt zonder de flexibiliteit te verliezen.

Potentiële toepassingen:metamaterialen en microrobots

De onderzoekers hebben al nieuwe inzichten verworven die helpen de zachte modi in microgrids beter te begrijpen. Hoe groter het rooster is, hoe waarschijnlijker het is dat het een vierkante vorm heeft in plaats van een diamantvorm. Grotere constructies scheuren ook beter:ze vervormen gemakkelijker onder schuifkracht dan kleinere varianten.

Dit is interessant voor de ontwikkeling van nieuwe metamaterialen, waarbij de eigenschappen afhankelijk zijn van de structuur. Bijvoorbeeld hoe het reageert op druk of hoe het kan samenvouwen. Maar Melio hoopt vooral dat hij een manier kan vinden om de vervorming van het microgrid op afstand te controleren.

‘Dan heb je eigenlijk de basis voor een microrobot. Deze worden bijvoorbeeld gebruikt in biomedische toepassingen, zoals operaties. Zo ver ben ik natuurlijk nog niet. Ik experimenteer nu met het magnetisch maken van de colloïden om te kijken of ze kunnen op deze manier van buitenaf worden gecontroleerd. Het zou heel mooi zijn als ik dat zou kunnen bereiken voordat ik mijn doctoraat afrond", zegt Melio.

Meer informatie: Julio Melio et al, Zachte en stijve normale modi in slappe colloïdale vierkante roosters, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.078202

Aangeboden door Universiteit Leiden