Synthetische materialen kunnen zichzelf veranderen in actieve materialen als zij brandstof toegediend krijgen. Dat hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Delft aangetoond. Het achterliggende proces, de zogenoemde zelfassemblage van moleculen, is een belangrijk mechanisme in de natuur, waardoor levende materialen bijvoorbeeld kunnen bewegen of zich aanpassen aan de omgeving. Het onderzoek opent de weg om dit met synthetische stoffen na te doen. De Delftse wetenschappers publiceren hun onderzoeksresultaten op 4 september in Science.

Energieverbruik

Levende materialen bestaan uit duizenden verschillende moleculen, die met niet-permanente verbindingen aan elkaar vastzitten. Het proces waarmee die moleculen zich organiseren heet zelfassemblage. "Omdat ze niet permanent aan elkaar vastzitten, kunnen ze ook gemakkelijk veranderen, zich reorganiseren, of gerepareerd worden. Om deze functies uit te kunnen voeren, hebben cellen energie nodig: energieverbruik is een essentieel kenmerk van levende materialen. Dit zijn nu typisch eigenschappen en processen die we ook in synthetische materialen willen integreren", zeggen de onderzoekers dr. Rienk Eelkema en prof. Jan van Esch.

De onderzoeksgroep van Van Esch is erin geslaagd om een synthetisch, brandstofgedreven zelfassemblageproces in gang te zetten en te controleren. Het in het onderzoek geproduceerde actieve materiaal is een kunstmatige variant van het cytoskelet van een cel, het systeem van kleine buisjes - tubuli en actinefilamenten - dat cellen stevig houdt. De onderzoekers hebben moleculaire bouwstenen ontwikkeld die met een andere verbinding, de brandstof, moeten reageren om synthetische vezels te kunnen vormen. Zolang er brandstof aan de bouwstenen wordt toegevoegd vormen zich synthetische vezels, die echter weer uit elkaar vallen zodra de energietoevoer stopt. Met andere woorden, de synthetische vezels bestaan net zolang als er brandstof aanwezig is, precies zoals het cytoskelet in levende cellen.

Moleculaire bouwstenen in water assembleren door toevoegen van een chemische brandstof tot een netwerk van vezels, waardoor de oplossing in een hydrogel verandert. Na verloop van tijd is de brandstof op en valt de gelstructuur weer uit elkaar tot een oplossing van de oorspronkelijke bouwstenen. De kringloop kan opnieuw worden gestart door een nieuwe hoeveelheid brandstof toe te voegen.

Robotica

De gepubliceerde studie was vooral exploratief, maar de verkregen inzichten openen wel de weg naar adaptieve en zelfhelende materialen. Toepassingen liggen bijvoorbeeld op het gebied van de robotica en autonome systemen. "Denk aan een autonome robot die onder extreme omstandigheden moet werken, zonder sturing van mensen of externe energiebronnen", zegt Eelkema. "Chemische brandstof heeft een veel hogere energiedichtheid dan batterijen, vooral als je die energie rechtsreeks kunt inzetten. Maar dan moet je ook weten hoe je die chemische energie kunt gebruiken om een zelfassemblageproces of een materiaalverandering op gang te brengen. Dat is wat we hier hebben laten zien."

Olietanker

Een andere eigenschap van brandstofgedreven zelfassemblage is dat het proces goed in de tijd beheersbaar is; het stopt zodra de brandstoftoevoer ophoudt. De kunstmatige tubuli en actinefilamenten uit het onderzoek vormen een hydrogel: de ontstane vezels maken een netwerk in de oplossing, een soort microspons die al het water vasthoudt. Ditzelfde mechanisme zou gebruikt kunnen worden om stoffen tijdelijk te gelleren. Een mogelijke toepassing is het klotsen van de olie in een tanker, wat ernstige gevolgen kan hebben voor de scheepsstabiliteit. Door de olie voor de duur van de vaart te gelleren, wordt dit risico vermeden.

Buiten evenwicht

"De stap naar materialen die energie gebruiken om iets te doen, was een van de grote uitdagingen van ons vakgebied", aldus Van Esch. "Daarbij is veel aandacht uitgegaan naar het gebruik van licht, elektriciteit of magnetisme, maar natuurlijke systemen werken altijd op chemische brandstoffen omdat ze dat makkelijk kunnen opslaan en daardoor voor kortere of langere perioden onafhankelijk zijn van energietoevoer vanuit de omgeving." Dat energieverbruik heeft ook te maken met een andere eigenschap van levende systemen: ze zijn niet in evenwicht. "Om iets in een niet-evenwichtstoestand te krijgen moet je voortdurend energie toevoegen, anders krijg je vanzelf een evenwichtstoestand met het laagste energie niveau. Tot nu toe was het veld van de zelfassemblage vooral gericht op systemen die een thermodynamisch evenwicht hebben, die dus op een minimum energieniveau zitten. Dit is de eerste keer dat het gelukt is om met een chemische brandstof een zelf-assemblageproces buiten evenwicht voor elkaar te krijgen, net zoals in levende systemen."

Natuur

Met hun resultaten hebben de onderzoekers de weg geopend naar de ontwikkeling van actieve materialen die functies uit de natuur kunnen nabootsen. Functies als bewegen, zichzelf herstellen en aanpassen aan de omgeving waren tot nu toe voorbehouden aan levende materialen. Van Esch: "We hebben geleerd hoe we een chemisch reactienetwerk kunnen inzetten om een synthetisch zelfassemblagesysteem te maken. Die kennis is noodzakelijk om andere synthetische materialen van de bijzondere eigenschappen van levende materialen te kunnen voorzien."

Meer informatie

Prof. Jan van Esch, tel. 015-27 88826, e-mail j.h.vanesch@remove-this..tudelft.nl

Ilona van den Brink, wetenschapsvoorlichter TU Delft: tel. 015-2784259; e-mail i.vandenbrink@remove-this..tudelft.nl

Publicatie: Science, published 4 September 2015

"Transient assembly of active materials fuelled by a chemical reaction"

Job Boekhoven1,/=,#, Wouter E. Hendriksen1,#, Ger J. M. Koper1, Rienk Eelkema1,2,*, Jan H. van Esch1,2,*

1. Advanced Soft Matter, Department of Chemical Engineering, Delft University of Technology, Julianalaan 136, 2628 BL Delft, the Netherlands.

2. Delft Process Technology Institute, Delft University of Technology, Leeghwaterstraat 39, 2628 CB Delft, the Netherlands.

/= Current address: Department of Chemistry, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA. # These authors contributed equally to this work.

Links

http://www.asm.tudelft.nl

http://www.sciencemag.org/