Een van de kleinste machines ooit zet zichzelf in elkaar

Ergens in de toekomst zullen we allemaal lachen om de dagen dat we dingen van spullen maakten - lees: materiaal dat gewonnen wordt uit de aarde, zoals petroleum, hout of ijzererts. Deze ouderwetse materialen transformeerden zichzelf niet eens in complexe machines of zonnepanelen; we moesten het voor ze doen waarbij we nóg meer energie en zeker ook meer materiaal verloren tijdens het proces. Pfff. De materialen van het verleden waren suf en net zo primitief als het maken van kogels van gesmolten lood ooit geweest was.

In deze toekomst zal het ongetwijfeld niet onopgemerkt blijven dat een van de belangrijkste observaties in de materiële wetenschappen bijna bij toeval werd gedaan, of op zijn zachtst gezegd onverwacht was. Onderzoekers die door de US Air Force gesubsidieerd worden, werken met zilveren superlattices - afwisselende lagen van kristalachtige zilveren klusters van nanodeeltjes in een organisch buffermateriaal - en vonden iets totaal verassends.

De onderzoekers observeerden dat het materiaal zichzelf niet alleen succesvol in elkaar zette, maar dat het resultaat ook een specifieke mechanische actie omvatte. Wanneer het materiaal wordt samengeperst draait de nanodeeltjesstructuur rond als kleine tandwielen. Het resultaat: een machine. Soort van althans.

De corresponderende studie is gepubliceerd in de net uitgebrachte editie van het journal Nature Materials. “Wanneer we druk zetten op dit materiaal, wordt het zachter en zachter en opeens verandert het radicaal." zei Uzi Landman van de Georgia Institute of Technology. “Wanneer we kijken naar de oriëntatie van de microscopische structuur van het kristal in de regio van de verandering, zien we dat er iets zeer ongebruikelijks gebeurt. De structuren beginnen te roteren ten opzichte van elkaar. Dit creëert een moleculaire machine met een aantal van de kleinste bewegende elementen ooit geobserveerd.” In elke laag van de superlattice bewegen deze tandwieltjes in tegengestelde richting ten opzichte van elkaar. Wanneer de druk op het materiaal weer wordt weggenomen, gaan deze tandwieltjes weer terug naar hun originele positie aldus de onderzoekers.

Potentiële doeleinden voor het materiaal zijn schakelingen op moleculaire schaal, sensoren en misschien zelfs energie-opname. Het is mogelijk om een toekomstig gebruik voor te stellen waarin kracht wordt omgezet in een mechanische beweging door het materiaal. Ook zouden bijvoorbeeld stoomturbines in krachtcentrales vervangen kunnen worden door materialen zoals deze, die druk kunnen omzetten in rotatie op nanoniveau voor generatoren. (mijn eigen speculatie).

De schakelbeweging is het resultaat van een specifiek zelf-monteringsproces dat inherent is aan het materiaal. “Zelf-montering” is hier misschien niet wat je verwacht; het materiaal is niet van begin af aan een autonome creatie. In plaats daarvan begint het materiaal als een oplossing van moleculen met een neiging tot het binden met andere materialen.

"Deze verbindingen kunnen niet radicaal afwijken en gaan één kant op." aldus Landman. Dit resulteert in ongebruikelijk vaste structuren binnen een laag superlattice. Om de juiste richting te behouden, kunnen de structuren alleen draaien wanneer er druk op ze uitgeoefend wordt. Om dat te bewerkstelligen moeten de lagen ten opzichte van elkaar buigen. Een bijkomend effect van deze draaiende tandwieltjes/structuren is dat zodra er een bepaalde druk op de lagen is gezet, het opeens een stuk zachter wordt en verdere compressie minder moeite kost.

Rare eigenschappen is wat men zou moeten verwachten in een materiaal als deze. Wat er in essentie gebeurt is dat de toch al rare eigenschappen van deeltjes worden gerealiseerd op het niveau van de macro-wereld. “We maken kleine deeltjes, en deze zijn anders omdat klein anders is,” zei Landman. "Wanneer je de nanodeeltjes bij elkaar stopt, maakt dat ze anders dan wanneer ze geïsoleerd zijn, omdat het collectief gedrag toestaat."