Dutch language English language

Voorproefjes - Bionische materialen (nr. 3/2006)

 

Een oppervlak dat beter plakt dan welke lijm dan ook. Draden sterker dan staal. glasvezels waar je een knoop in kunt leggen. De natuur draait haar hand er niet voor om. Op zoek naar de materialen van de toekomst proberen wetenschap en industrie de verbluffende natuurlijke concepten te doorgronden.

Nienke Beintema

Op een mooie zomermiddag in 1948 wandelde de Zwitserse ingenieur George de Mestral met zijn hond in de bergen. Bij thuiskomst ontdekte hij dat er in de vacht van zijn hond en aan zijn eigen broekspijpen honderden plantenzaadjes waren blijven steken. Uit nieuwsgierigheid onderzocht hij ze onder de microscoop. Ze bleken talloze weerhaakjes te hebben. “Eureka!”, riep hij. “Als ik een materiaal maak met stevige haakjes, zoals deze zaadjes, en een materiaal met zachte lusjes, zoals de stof van mijn broekspijp, dan vormen ze samen een revolutionair afsluitmechanisme!” De Mestral vroeg direct patent aan op zijn uitvinding. Het duurde niet lang of klittenband veroverde de wereldmarkt.

Spin-geiten

De natuur, zo realiseren we ons, heeft unieke concepten voortgebracht waar de technologie veel van kan leren. Door miljoenen jaren van natuurlijke selectie zijn alleen de meest vernuftige en efficiënte oplossingen overgebleven. Wetenschappers en het bedrijfsleven proberen de natuurlijke principes te ontrafelen en toe te passen in de technologie. Deze biomimetica of bionica levert niet alleen slimme apparaten op (zie NWT februari 2006), maar ook supermaterialen zoals klittenband.

Soms is biomimetica minder succesvol. Het beruchte voorbeeld is spinnenzijde. Wetenschappers weten nog steeds niet hoe spinnen dat precies maken, maar zouden het dolgraag zelf kunnen: het is dunner dan een menselijke haar, sterker dan staal, elastisch en ook nog eens biologisch afbreekbaar. Ideaal om kogelvrije vesten van te maken, of chirurgisch hechtdraad. Namaakpogingen waren tot nu toe weinig succesvol. Geiten met een ingebouwd spinnen-gen produceren het eiwit nu weliswaar in hun melk, maar een markttoepassing is nog ver weg. Moeder Natuur blijft hier superieur.

Sommige biomimetische ontwerpen zijn wèl hard op weg de natuur te evenaren. Zo werken meerdere laboratoria aan plakband dat net zo werkt als de pootjes van een gekko. “Het zal nog wel een paar jaar duren voor zulk plakband werkelijk op de markt verschijnt,” zegt dr. Kellar Autumn van het Amerikaanse Lewis&Clark College in Oregon, “maar we zijn op de goede weg.”

Autumn en zijn team ontdekten in 2000 als eersten hoe gekkopootjes werken. Gekko’s overtreffen alle andere dieren in het lopen over gladde oppervlakken. Ze kunnen met een meter per seconde een verticale glasplaat oplopen. Moeiteloos rennen ze ondersteboven langs het plafond en ze kunnen zelfs aan één teen blijven hangen. Die gave dankt een gekko niet aan zuignapjes, noch aan weerhaakjes of aan bolletjes lijm, zoals voorheen werd gedacht. “Gekkopootjes zijn bedekt met honderdduizenden kleine haartjes van 100 micrometer doorsnede,” legt Autumn uit. “Elk haartje splitst zich in duizend puntjes, die aan het uiteinde 200 nanometer breed zijn. Dat is minder dan de golflengte van zichtbaar licht.” Die puntjes zijn zo piepklein dat ze worden aangetrokken door de moleculen van het oppervlak waarop de gekko loopt. Deze van der Waalskracht is relatief zwak, maar dankzij het enorme aantal haartjes kan de gekko toch blijven hangen. “Met een miljoen gekkohaartjes kun je een flinke kleuter optillen,” verklaart Autumn. “Een gekko heeft zelfs twee miljoen haartjes op zijn poten.”

Klimhandschoenen

De Amerikanen ontdekten tevens hoe de gekko zijn pootjes weer loskrijgt tijdens het rennen. Zodra de hoek tussen een haartje en het oppervlak groter wordt dan dertig graden, wordt de aantrekkingskracht te zwak en laat het haartje los. Een gekko doet dat door zijn voet op een slimme manier af te wikkelen. “Bovendien hebben we ontdekt hoe het kan dat gekkopootjes nooit vies worden,” vervolgt de bioloog. “Ook tussen gekkohaartjes en vuildeeltjes treedt van der Waalskracht op, maar aan elk vuildeeltje hechten maar een paar haartjes. Als dat deeltje vervolgens in aanraking komt met een ander oppervlak, bijvoorbeeld de muur waarop de gekko loopt, dan is de aantrekkingskracht van de muur groter dan die van de pootjes.” Het gekkopootje is dus zelfreinigend: bij iedere stap staat het vuil af aan de muur.

“Dit alles biedt natuurlijk geweldige mogelijkheden,” zegt Autumn. “Denk maar aan supersterk, herbruikbaar plakband. Klimhandschoenen, autobanden, robots die tegen een muur op kunnen lopen, zelfs op een zanderige planeet…” Collega’s aan de Universiteit van Californië bekwamen zich daarom in het maken van synthetische haartjes. Die ondervinden keurig de aantrekkingskracht van een oppervlak, maar lang niet zo sterk als echte gekkohaartjes. “Wel bevestigen deze resultaten dat het inderdaad de vorm is die belangrijk is, en niet het materiaal,” zegt Autumn.

De spannendste ontwikkeling op gekkogebied vond echter onlangs plaats aan de Universiteit van Akron in Ohio. Daar fabriceren wetenschappers koolstofnanobuisjes: buisjes van enkele nanometers doorsnede die zijn gemaakt van een soort opgerold kippengaas van koolstofatomen. Deze buisjes, zo ontdekten de wetenschappers, kleven tweehonderd keer beter dan gekkohaartjes. “Dit werk is absoluut veelbelovend,” meent Autumn. “Het probleem is dat dit voorlopig alleen werkt op nanometerschaal, omdat we nog geen grotere oppervlakken helemaal kunnen bedekken met nanobuisjes.” Experts hebben echter een rotsvast vertrouwen in nanotechnologie als belofte van de 21ste eeuw. Volgens de buisjesbouwers in Ohio ligt nanogekkoplakband binnen handbereik, en zal het gekkopootjes zelfs overtreffen.

Buigzame glasvezels

Een ander sterk staaltje van biomateriaalkunde vinden we op de bodem van de diepzee. Daar leeft een tere spons die wetenschappers van Bell Labs, onderdeel van ICT-gigant Lucent Technologies, versteld deed staan. Deze spons, het Venusmandje, vormt een koker van zo’n twintig centimeter lang en twee tot vier centimeter doorsnede. De koker bestaat uit ragfijne glasvezels. “Het bijzondere aan deze vezels is dat ze ongelooflijk buigzaam zijn,” vertelt Bell Labs-onderzoekster dr. Joanna Aizenberg. “Kunstmatige glasvezels zijn bros en breken snel, maar in deze natuurlijke vezels kun je zonder problemen een knoop leggen.” Dat is interessant voor telefonie- en internettoepassingen. Daarbij zijn glasvezelkabels sterk in opkomst, maar de breekbaarheid is een groot probleem. “Het geheim van het Venusmandje,” vervolgt Aizenberger, “is dat de vezel is opgebouwd uit dunne laagjes siliciumoxide afgewisseld met laagjes organisch materiaal. Die laminaire opbouw zorgt ervoor dat kleine scheurtjes, als ze al voorkomen, zich niet verder uitbreiden.”

De wetenschappers proberen te ontrafelen hoe het kan dat het Venusmandje deze kraakheldere glasvezels kan maken bij normale temperaturen. De industrie kan dat alleen bij extreme hitte, wat duur en vervuilend is.

Het Venusmandje is niet alleen interessant voor de ICT. Ook bouwkundigen en architecten kijken er jaloers naar. Het skelet, zo ontdekte Aizenberg, is een schoolvoorbeeld van een ideale constructie. Het vertoont zeven niveaus van structurele hiërarchie, lopend van nanometer- naar centimeterschaal. Die niveaus vinden we stuk voor stuk terug in de bouwkunde, maar dan duizendmaal vergroot. De glasvezels, gebundeld in kabels van zo’n vijftig micrometer dik, vormen een gaaspatroon verstevigd met diagonale dwarsverbindingen. Die verbinden precies de helft van alle ruitjes. Zeer efficiënt, zo weten we uit de klassieke mechanica. Naarmate de spons verder groeit, verstevigt hij de kruispunten van de constructie met een soort cement en vormt hij een extra spiraalvormige versteviging aan de buitenkant. Die voorkomt dat de koker als een leeg blikje kan worden platgedrukt. “Dit is een prachtig voorbeeld van hoe je met een minimum aan materialen een maximale stevigheid kunt bereiken,” aldus Aizenberg.

Maar waarvoor heeft een diepzeespons eigenlijk glasvezels nodig? Ook dat is een sterk staaltje van evolutie. Elke spons biedt onderdak aan een paartje lichtgevende garnalen, die de cilinder zijn binnengezwommen toen ze nog klein genoeg waren om door de mazen te zwemmen. Eenmaal volwassen kunnen de geliefden hun Venusmandje nooit meer verlaten, maar beide partijen profiteren hiervan. De spons geleidt het licht dat de garnalen uitzenden en vormt zo een lichtgevend baken in de donkere diepzee. Dat trekt plankton aan, waar de waard en zijn gasten van leven.

Spelen met licht

Aizenberg ontdekte onder water nog een optische kunstenaar. Ze onderzocht hoe het kan dat de brokkelster, een verwant van de zeester, zonder ogen toch lichtgevoelig is. Het bleek dat het hele lichaam van de brokkelster is bedekt met piepkleine lensjes van calciumfosfaat. Die bundelen het invallende licht zodanig dat het precies op bepaalde zenuwuiteinden valt. “Deze lensjes focusseren het licht zo’n twintig keer nauwkeuriger dan kunstmatige lenzen,” zegt Aizenberg. “We proberen nu uit te vinden hoe dat kan. Vervolgens willen we dergelijke microlensjes toepassen in optische instrumenten en camera’s, maar ook in de glasvezeloptica.”

De Britse fysicus dr. Pete Vukusic van de Universiteit van Exeter vindt het gebruik van optica in de natuur zo fascinerend dat hij bijna spijt heeft dat hij geen biologie heeft gestudeerd. “Iedere dag raak ik weer ondersteboven van de manier waarop dieren met licht spelen. Kevers, vissen, wormen, insecten, vogels: allemaal doen ze aan geavanceerde optica. Hoe is dat zo geëvolueerd en waarom? Hoe werkt het?”

Het onderzoek van Vukusic richt zich op de felle kleuren in de vleugels van bepaalde tropische vlinders. Die kleuren ontstaan niet door kleurstoffen, maar door de structuur van de vlindervleugel. Het zonlicht dat erop valt, komt terecht in een soort microscopische honingraat en wordt slechts in één richting weerkaatst. Sommige lichtgolven weerkaatsen al in de bovenste laag, andere dringen verder door en weerkaatsen daar. De afstand tussen de laagjes, enkele honderden nanometers, zorgt ervoor dat de golven van het weerkaatste licht precies met elkaar interfereren. Daarbij wordt het licht van één kleur, bijvoorbeeld blauw, vele malen versterkt, terwijl de andere kleuren juist uitdoven. “Zo’n vlinder ziet er onder een bepaalde hoek grauw en saai uit,” vertelt Vukusic, “maar onder een andere hoek is hij opeens oogverblindend blauw.”

Vukusic heeft het foefje van de vlindervleugels nog maar kortgeleden ontdekt. De honingraatstructuur is voor fysici echter allerminst nieuw. Zij werken, onafhankelijk van de biologen, al jarenlang aan dergelijke structuren. Ze noemen ze fotonische kristallen en gebruiken ze bijvoorbeeld in LEDs (light emitting diodes) en in optische halfgeleiders: halfgeleiders die geen elektronen geleiden, maar fotonen. Die kunnen in de toekomst wellicht elektronische microchips vervangen, wat supersnelle computers mogelijk maakt. “Fysici zijn door jarenlang experimenteren op precies dezelfde oplossing uitgekomen als de natuur,” merkt Vukusic op. “Laatst zei iemand: hadden we dat van die vlinders maar eerder geweten. Dat had ons een hoop werk bespaard.”

“Dat zou ik graag willen nuanceren,” lacht dr. Willem Vos, die fotonische kristallen ontwerpt bij het FOM-instituut AMOLF en het MESA+-instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Vos vindt het verbazend dat fotonische kristallen in de natuur zijn aangetroffen, maar haalt zijn inspiratie toch liever uit de fysica: “In de natuur hoeven structuren niet altijd perfect te zijn. De vlinderstructuren vertonen veel onregelmatigheden, en daarnaast zijn ze maar enkele laagjes dik. Ze hoeven licht maar in één richting te reflecteren.” De fotonische kristallen van Vos moeten wel degelijk perfect zijn en licht in alle richtingen tegelijk reflecteren. Dat is een stuk lastiger, en is tot nu toe nog niet goed gelukt.

Desondanks pleit Vukusic voor meer samenwerking tussen fysici en biologen. “De natuur heeft nog oneindig veel verrassingen in petto,” denkt hij. “Elke keer als ik in het park loop en een libelle zie glinsteren in het zonlicht, vraag ik me af: kunnen we daar wat mee?” Zijn eerste patent heeft hij inmiddels binnen: geïnspireerd door de vlindervleugeloptica ontwierp hij een nieuw soort hologram voor beveiligingsdoeleinden.

Vloeibaar bot

Biomimetica is ook in de geneeskunde doorgedrongen. Daarbij is er geen betere inspiratie dan ons eigen lichaam. Medici gebruiken bijvoorbeeld implantaten die zoveel mogelijk lijken op natuurlijke weefsels, om afstoting te voorkomen. Prof. dr. John Jansen van het Universitair Medisch Centrum St. Radboud in Nijmegen is een expert op dit gebied. Hij werkt aan de nieuwste generatie bot-implantaten. “De kop van een heup maken we van titanium,” vertelt hij, “want dat heeft dezelfde mechanische eigenschappen als een heupbot. Aan de buitenkant brengen we een laagje calciumfosfaatkeramiek aan. Dat is een belangrijk bestanddeel van natuurlijk bot. Zo ontstaat er gemakkelijker een verbinding tussen het implantaat en het botweefsel.”

Bij grotere botdefecten, bijvoorbeeld wanneer een patiënt door een ernstig ongeluk of een tumoroperatie veel bot is kwijtgeraakt, moet Jansen ingewikkelder trucs toepassen. “We willen zo’n defect opvullen met nieuw materiaal,” legt hij uit. “Ook daarvoor gebruiken we calciumfosfaatkeramiek. Dat spuiten we in vloeibare vorm op de juiste plek in, waarna het langzaam hard wordt.” Het lichaam beschouwt dit botcement als echt bot. Het vervangt het daarom, evenals echt bot, langzaamaan door nieuwe botcellen. “Het probleem is dat dat wel vijfentwintig jaar kan duren,” merkt Jansen op. “Daarom zorgen we ervoor dat het cement poreus is, net zoals natuurlijk bot. De gaatjes zorgen voor een enorme oppervlaktevergroting. Groeifactoren, en ook botvormende en -afbrekende cellen, kunnen er dan beter bij. Zo moet een afbreektermijn van tien jaar haalbaar zijn, hopelijk zelfs twee jaar.”

Jansen kan het botcement niet in poreuze vorm in het beschadigde bot inspuiten. Daarom mengt hij kleine bolletjes van polymelkzuur door het cement heen. “Polymelkzuur kennen we als materiaal voor hechtdraad. Het lost gemakkelijk op. De bolletjes verdwijnen binnen zes tot acht weken, waardoor het cement poreuzer wordt dan een spons.” Naast polymelkzuur bevatten de bolletjes groeifactoren, die de aangroei van natuurlijk bot stimuleren. Resultaten bij proefdieren zijn erg hoopgevend, maar het zal nog een tijdje duren eer Jansen er daadwerkelijk patiënten mee kan helpen.

“Natuurlijke weefsels zijn zo complex dat we ze onmogelijk exact na kunnen maken,” besluit Jansen, “maar we kunnen wel proberen er zo dicht mogelijk bij in de buurt te komen. Als we begrijpen hoe het natuurlijke systeem werkt, dan zijn we al een heel eind op weg.”

  

Dit is het tweede deel in een tweedelige serie over bionica; klik hier voor het artikel over bionische apparaten.

 

Meer informatie:

De VPRO-serie ‘Dat willen wij ook’:

http://noorderlicht.vpro.nl/dossiers/16463881/

Gekkowebsites van dr. Kellar Autumn:

http://www.lclark.edu/~autumn/dept/geckostory.html

http://www.lclark.edu/~autumn/PNAS/

Venusmandje en brokkelster:

http://www.bell-labs.com(vul in ‘sponge’ of ‘brittlestar’ als zoekterm)

Dr. Pete Vukusic over vlindervleugeloptica:

http://newton.ex.ac.uk/research/emag/butterflies/

Universiteit Twente en fotonische kristallen:

http://cops.tnw.utwente.nl/dutch/press.html


< Terug naar de voorproefjes
Copyright © 2010 - Alle rechten voorbehouden - Webdesign Laurens Mast Freelance Webdesign