Imitatie van de mechanische geheimen van de natuur op nanoschaal kan leiden tot vele nuttige toepassingen, als energiebesparende materialen.
Biomimicry, ook bionica genoemd, gebruikt structuren uit de natuur om alledaagse problemen op te lossen. Een bekend voorbeeld is de klittenband, overgenomen door een Zwitserse ingenieur, Georges de Mestral, van de klitten die bleven zitten aan zijn hond en zijn kleren als hij door de natuur liep. Met moderne instrumenten als de elektronenmicroscoop ontdekken onderzoekers nu hoe de natuur bekende mechanische problemen heeft opgelost: hoe kunnen gekko’s wandelen op plafonds? Hoe kan het schaatsenrijdertje lopen op water?
Wetenschapsmensen onderzoeken nu een volgende generatie vragen, vooral over de huid van dieren, waarbij bijzondere eigenschappen voorkomen. Hoe kunnen hagedissen die leven in extreem droge milieus dauw opnemen door hun huid? Hoe komt het dat schorswantsen donkerder worden als ze nat zijn? Microscopische structuren die dit gedrag bepalen zouden heel nuttig kunnen zijn voor het verhelpen van alledaagse mechanische problemen, zoals pogingen om wrijvingsweerstand (en daarmee energiegebruik) te verminderen in miljoenen machines. Hieraan is het Europese onderzoek LiNaBioFluid gewijd. Eerst onderzochten de deelnemers aan dit project de structuur van de huid van de hagedissen en wantsen. Ze namen daar microfoto’s van, en analyseerden deze om te onderzoeken waar hun bijzondere eigenschappen vandaan kwamen. Tenslotte reproduceerden ze deze structuren met geavanceerde lasertechnologie op harde anorganische materialen als silicium, staal, brons en titaanlegeringen, en probeerden de energiebesparende materialen uit.
Energiebesparende materialen
Bij deze wrijvingsvermindering maakte het team gebruik van een bekend principe van de bionica: op microschaal ondervinden slim geruwde oppervlakken vaak minder wrijving dan volkomen gladde oppervlakken (denk aan de haaievinnenpakken uit het wedstrijdzwemmen, waarmee vele records werden gebroken en die in 2009 zijn verboden omdat ze te goed werkten). De leider van het project, Dr. Emmanuel Stratakis van het Instituut voor Structuuronderzoek en Lasers (IESL) van de Stichting voor Onderzoek en Technologie (FORTH) uit Griekenland, zegt dat het team een aantal onderwerpen heeft onderzocht: ‘wrijvingsvermindering in micromechanische onderdelen als glijlagers in verbrandingsmotoren, en bij het maken van micronaalden voor transcutane toediening van geneesmiddelen (d.w.z. door de huid heen).’
Aan dit project van € 3 miljoen, ondersteund door het EU programma voor opkomende technologieën, deden zeven instituten en bedrijven mee uit vier Europese landen. Het project liep tot juni 2018. Er waren grote uitdagingen. ‘De grootste uitdaging was het behalen van een aanzienlijke vermindering van wrijvingsweerstand (>90%) in micromechanische onderdelen van verbrandingsmotoren,’ zegt Stratakis. Maar, zegt hij, zij konden deze te boven komen door ‘beter begrip van de manier waarop vloeistoffen bewegen over de bewerkte oppervlakken, en door de complexiteit van de structuren te vergroten.’ Dat wil zeggen: zorgvuldiger richten van de laserstralen, die in feite heel kleine stukjes verwijderen van het bewerkte oppervlak. Minimalisering van de weerstand is essentieel voor industriële toepassing van deze energiebesparende materialen, mede afhankelijk van de betaalbaarheid van de technologie.
Dr. Jan Siegel, projectleider van de lasergroep van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC) meent dat lagere weerstand ‘ook belangrijk zal zijn voor vermindering van de uitstoot van CO2.’ En er zijn nog meer toepassingsgebieden in de toekomst, zegt hij, in optica, nano-elektronica, sensoren en fotokatalyse. ‘De grote kracht van dit onderzoek ligt in de samenwerking van biologen en laserexperts,’ zegt prof. Gert-Willem Römer, hoofd van de lasergroep aan Universiteit Twente. ‘In samenwerking kunnen zij ontdekken hoe de natuur werkt, en hoe ze deze met lasertechnologie kunnen imiteren om de bijzondere natuurlijke eigenschappen te kunnen kopiëren in energiebesparende materialen.’
Naast IESL namen aan het consortium deel: de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC), de Johannes Kepler University (JKU) en de High Tech Coatings GmbH (HTC) beide uit Oostenrijk, en de Duitse instituten RWTH Universiteit van Aken, BAM Bondsinstituut voor Materiaalonderzoek, en Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie IPT.
Oorspronkelijk gepubliceerd op youris.com.
Interessant? Lees dan ook:
Natuur als uitvinder
Genetisch aangepast spinrag
Daan Bruggink: natuurlijk bouwen met ORGA