De 4D-geprinte kever die van kleur verschiet als het vochtiger wordt

3D-printen is inmiddels mainstream geworden. Voor een paar honderd euro koop je zo’n printer online. Maar hoe zit het met 4D-printen? Hoe print je een voorwerp dat kan veranderen in de tijd, bijvoorbeeld door te reageren op aanraking, licht of vocht? Het blijkt dat dit nog niet zo gemakkelijk is. Promovendus Jeroen Sol nam de uitdaging aan. Hij vond inspiratie in de wereld van de boktor en andere dieren die gebruik maken van iriseren en andere vormen van kleurverandering, schrijft TU Eindhoven in een persbericht.

Sols vakgroep onder leiding van professor Albert Schenning heeft uitgebreide ervaring met slimme materialen die reageren op stimuli van buiten, zoals licht, temperatuur of luchtvochtigheied. De materialen maken gebruik van vloeibare kristaltechnologie, vergelijkbaar met de technieken in LCD-schermen, maar dan toegepast in kunststoffen.

Die kristallen krijgen andere eigenschappen afhankelijk van de richting waarin ze zijn uitgelijnd (ze worden anisotroop). Dat kan mechanisch zijn, dan zijn ze in één richting sterker dan in de andere, of optisch, dan hebben ze afhankelijk van de invalshhoek van het licht een andere kleur.

Van de eerste 3D-printers in het land tot volwaardige industrie: Bart Kooijmans zag elke stap in de ontwikkeling van Additive Manufacturing

Laagje voor laagje een product opbouwen vanuit de computer. Eind jaren negentig klonk 3D-printen nog als science fiction, nu is het een common technology, zegt Bart Kooijmans, Program Manager Precision Technologies bij Mikrocentrum.

Een iriserende boktor

En dat laatste is precies waar Sol zich de afgelopen vier jaar mee bezig heeft gehouden. Is het mogelijk om een voorwerp te printen dat van kleur verandert onder invloed van vocht?  “De inspiratie daarvoor vond ik in de natuur, en dan in het bijzonder in de Tmesisternus isabellae, een boktorsoort waarvan het dekschild van kleur verandert onder invloed van luchtvochtigheid.”

Dat Sol koos voor vocht als stimulus, en niet voor licht (zoals promovenda Marina Pilz da Cunha uit dezelfde vakgroep eerder deed voor haar wandelende minirobot), is niet toevallig. “Wij mensen bestaan voor een groot deel bestaat uit water, en een sensor die je gemakkelijk en goedkoop kan printen met een 3D-printer en die reageert op vocht, kan allerlei toepassingen hebben in de gezondheidszorg. Denk aan een ring die transpiratie meet, of in de toekomst misschien je bloedsuikerspiegel.”

Maar Sol ging nog een stap verder. Hij heeft namelijk ook echt een kever geprint. “In de wereld van de materiaalkunde is het heel belangrijk dat je een demonstrator maakt die laat zien dat je vinding ook echt werkt. En de keuze voor een dier ligt dan voor de hand, want er zijn tal van dieren die gebruik maken van iriseren en andere vormen van kleurverandering, bijvoorbeeld voor camouflage.”

Betrouwbare apparaten uit 3D-printers voor de orthopedische sector

Net als hout- of ijzerkunstenaars, beheersen orthopedici het handwerk. Ze gebruiken ook de werktuigen die we kennen van de vakmensen die stenen en hout boetseren.

Een bad van zuur

Maar hoe werkt die kever nu? Sol legt het uit. “Eerst heb ik een kever van hard plastic geprint, en daarop een schild aangebracht met fotonische inkt. Dat ging ook met een printer. Deze laag heb ik vervolgens behandeld met een zuur. Dit zorgt ervoor dat de kristallen in de inkt reageren op vocht. Bij meer vocht zwelt het materiaal als het ware op, waardoor de spiraalstructuur van de kristallen wordt opgerekt. Dit verandert ook de kleur.”

Het mooie is dat je gevoeligheid voor vocht kan manipuleren, door de moleculen minder of meer geladen te maken. “Dat biedt allerlei mogelijkheden voor toekomstige toepassingen.”

Vervolgens plaatste de onderzoeker de kever in een afgesloten ruimte waar hij de luchtvochtigheid kon controleren. Bij meer vocht werd de groene kever langzaam roder en roder. Bracht hij het vochtniveau weer terug, dan werd de kever weer groen.

“Dat laatste is cruciaal”, zegt Sol. “Dat betekent dat het effect reversibel is. Het kan daarom zonder dat de gebruiker het hoeft te resetten, weer opnieuw worden gebruikt als sensor of actuator.”