Wetenschap
Knijpen voor de wetenschap
Leidse natuurkundigen proberen door veel te duwen, trekken en meten aan rubberen vormpjes het raadsel van elasticiteit van meta-materialen te ontrafelen. Als dat lukt, leidt dat wellicht tot robothuiden, slimme lego en ondetecteerbare onderzeeërs.
Bart Braun
donderdag 7 maart 2013
Bastiaan Florijn (links) en Corentin Coulais: ‘We knijpen de hele dag in stukken rubber. Weinig gestreste mensen, hier op het lab.’ © Marc de Haan

‘Moet je deze eens voelen, deze is lekker’, zegt natuurkunde-promovendus Bastiaan Florijn als hij een snoeproze stuk rubber overhandigt. Hij doet voor hoe je er het beste in moet knijpen: een hand links-rechts, een hand boven-onder, en dan heel zachtjes drukken tot je een verandering voelt: eerst moet je harder knijpen, en daarna wordt het makkelijker. Het is het gevoelsequivalent van een klik of een lichtflitsje. ‘We knijpen de hele dag in stukken rubber’, lacht Florijns begeleider Corentin Coulais: ‘Weinig gestreste mensen, hier op het lab.’

Dat lab, op de tiende verdieping van het Huygens, ligt vol met rubberen vierkantjes, kubusjes, matjes en andere vormpjes. Er staat ook een serie apparaten die heel zorgvuldig aan dat rubber kunnen trekken, duwen en persen. Coulais en co proberen hier de regels van elasticiteit te ontrafelen.

De gewone elasticiteit van stuiterballen die bijna perfect terugveren en biljartballen die dat juist niet doen, is redelijk overzichtelijke natuurkunde. Middelbare scholieren krijgen er een beetje van, ingenieurs een heleboel. Op het roze-rubberlab gaan ze een stapje verder.

‘Wij onderzoeken de mechanische respons van zogeheten meta-materialen’, vertelt Florijn. Hij pakt een rubberen netwerkje. ‘Als je een springveer uitrekt, heeft die een lineaire respons: de kracht die je nodig hebt om hem uit te rekken is recht evenredig met de afstand die je hem uitrekt. Als je je veer vier keer zo lang wil maken, kost dat twee keer zoveel kracht als dat je hem twee keer zo lang uitrekt. Dat werkt hetzelfde als je heel veel veertjes naast elkaar zet.’ Het netwerkje waar Florijn aan trekt, is natuurkundig gezien een hele batterij springveertjes naast elkaar.

Als je vervolgens met een schaar wat beschadigingen in het netwerk maakt, dan verdwijnt die lineaire respons. Hoe vaak moet je knippen om dat te bereiken? En waar? Dat zijn de fysici nu nog aan het uitzoeken. ‘Waar we uiteindelijk naartoe willen is dat we het zo goed begrijpen dat je het in een computermodel kan simuleren. Jij vertelt dan welke respons je wilt, en de computer bepaalt dan welk materiaal je het beste kunt gebruiken, en waar je het netwerk moet verstoren. Bijvoorbeeld een autobumper die sterk vervormt als hij bij lage snelheden een voetganger raakt, maar juist veel weerstand geeft als hij met hoge snelheid ergens tegenaan botst. Of realistische huiden voor robots: mensenhuid vervormt ook niet-lineair.’

Het elasticiteits-onderzoek is relatief nieuw voor de onderzoeksgroep Complex Media van hoogleraar Martin van Hecke, waar het tweetal onder valt. In Mare kon u eerder lezen over hun onderzoek naar korrels, of, zoals ze het zelf noemen, ‘granulaire media’. Als je korreltjes hebt met bewegingsvrijheid, gedragen die zich eigenlijk als een vloeistof: als je vijftig pakken suiker leeggiet in je badkuip, kun je erin zinken. Zonder bewegingsvrijheid zitten de korrels ineens vast: leg vijftig dichte pakken suiker naast elkaar, en je kunt erop dansen. Niet omdat dat papier nou zo stevig is, maar omdat het papier de suikerkorrels dichter op elkaar drukt. Natuurkundigen zeggen dan dat er jamming (vastloping; knelling) heeft plaatsgevonden.

‘De twee takken van onderzoek lijken meer op elkaar dan je misschien denkt’, legt Coulais uit. ‘Je kan een doos met korreltjes die elkaar aanraken natuurkundig beschrijven als een netwerk van springveren.’ Natuurkundig is het reuze interessant om precies op dat punt te gaan zitten waarop je korrels jammen. Zo’n soortgelijk punt is er ook in elastische materialen, aldus de Fransman. ‘Als je precies op dat overgangspunt zit, heeft het materiaal allemaal leuke mechanische eigenschappen. De zogeheten schuifweerstand verdwijnt dan ineens, bijvoorbeeld, en dat heeft tot gevolg dat geluidsgolven niet meer door het materiaal kunnen reizen.’

Een perfect geluidswerend materiaal, daar zijn toepassingen voor te verzinnen in de bouw, of in koptelefoons. Florijn: ‘Je zou een onderzeeër kunnen bouwen van zulk spul, die is dan niet op te sporen met sonar.’ Coulais haakt in: ‘De natuurkunde zit vol met van die soort overgangen. Als je snapt wat er gebeurt als een vloeistof overgaat in een gas, en je dat snapt met dezelfde wiskundige beschrijvingen als waar je mee snapt hoe een stukje roze rubber terugveert, dan ben je een gelukkig mens.’

Op de tast naar slimme lego

Om de eigenschappen van hun rubbers goed te kunnen onderzoeken, maken de natuurkundigen allerlei verschillende vormen. Extra trots zijn ze op hun vermogen om ook driedimensionale patronen te produceren. 3-D-printers leggen normaal gesproken laagje op laagje, maar dat gaat niet bij rubber, omdat dat zo trillerig is. In plaats daarvan printen ze een mal van een in water oplosbaar materiaal. Daar gieten ze dan het rubber in, en daarna wassen ze de mal weg.

‘Alles is op handbaar formaat’, vertelt promovendus Bastiaan Florijn. ‘Je ziet wat je aan het doen bent, in plaats van dat je indirect de eigenschappen meet. En omdat het zo makkelijk is om rubber vormen te maken, kan je vaak al binnen twee uur een nieuwe vorm hebben om verder mee te experimenteren.’

Hij benadrukt dat de eigenschappen voortkomen uit de vorm waarin je het rubber giet, en niet uit wat er op moleculaire schaal in dat spul gebeurt. Zijn student Henk Imthorn laat een rubberen plak met ronde holletjes zien. Als je erin knijpt, wordt de helft van de gaatjes een staande ellips, en de andere helft een liggende. ‘Hij wordt ook smaller als je in de boven- en onderkant knijpt, in plaats van breder. Wij zeggen dan dat het een negatieve Poisson-ratio heeft’, vertelt Imthorn. Een massief blokje van hetzelfde materiaal heeft juist een positieve Poisson-ratio.

De natuurkunde achter zo’n plak is al redelijk bekend, maar Florijn en Imthorn willen verder gaan. Wat gebeurt er als je twee soorten holletjes hebt, kleine en grote? En hele kleine en hele grote? En wat als je je plak met spanbandjes alvast een beetje samenknijpt in één richting? Dan springt hij ineens van de ene vorm over in de andere, als je haaks op de spanbandjes drukt. Met dat soort effecten zou je slimme filters kunnen bouwen, of een bijzonder soort lego waarvan de bouwsteentjes elkaars vorm beïnvloeden.

Voordat het zover is, moet er nog een hoop begrip bijkomen van hoe zulke materialen precies werken. Florijns begeleider Coulais vat het samen: ‘We snappen de achterliggende regels nog niet goed. Dat is hoe natuurkunde werkt: je snapt iets niet, en dan ga je experimenten doen, en dan krijg je heel veel data. Het doel van ons team is om de ontwerpregels uit die experimentele data te peuteren.’