3D-printen is inmiddels kinderspel, maar een voorwerp maken in 4D is een stuk minder eenvoudig. Toch slaagde de TU Eindhoven erin om een kever in 4D te printen. Het ding veranderde van kleur door vocht.
Bij 4D-printen moet je denken aan driedimensionale voorwerpen die veranderen doordat ze in contact komen met licht, een bepaalde temperatuur of luchtvochtigheid. Promovendus Jeroen Sol van de TU Eindhoven richtte zich op luchtvochtigheid. “Wij mensen bestaan voor een groot deel 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.”
Hij vond zijn inspiratie in de natuur. “En dan in het bijzonder in de Tmesisternus isabellae, een boktorsoort waarvan het dekschild van kleur verandert onder invloed van luchtvochtigheid.” Boktorren maken gebruik van iriseren, een natuurkundig verschijnsel van hoek-afhankelijke kleur. Denk aan de kleuren van olie op water, maar ook aan zeepbellen.
Glinsterende kristallen
Eenzelfde soort effect wilde Sol bereiken bij de 4D-geprinte kever. “Veel 3D-printmaterialen (filamenten of kunstharsen) worden verkocht in een grote verscheidenheid aan kleuren en typen, maar in alle gevallen is het uiteindelijke product een statisch object dat niet verandert van vorm of kleur zonder dat daar een menselijke actie bij nodig is”, legt Sol uit aan Scientias.nl. Om de kever desondanks vierdimensionaal te maken gebruikte hij vloeibare kristaltechnologie. Die kristallen krijgen afhankelijk van hun uitlijning andere eigenschappen.
“Het doel van ons onderzoek was om, op basis van vloeibare kristallen een 3D-printinkt te ontwikkelen die deze beide ‘gebreken’ kan verhelpen.” Het materiaal moest dus wél van vorm en kleur kunnen veranderen. “Zoals het nu ontwikkeld is, reageert het op water; vloeibaar of uit de atmosfeer. Dit kan zich vertalen in een kleurverandering, zoals bij de kever, of een vormverandering. Een vormverandering zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om een klein watergevoelig element te printen in een groter geheel. Denk aan een ventiel dat sluit of opent als de luchtvochtigheid te hoog of te laag wordt.”
Kamerplanten
Voor kleurveranderingen zijn nog meer toepassingen te bedenken. “Een voorbeeld uit mijn nabije omgeving zijn bijvoorbeeld kamerplanten: sommige soorten zijn zeer gevoelig voor luchtvochtigheid. Dan zou het visueel aantrekkelijk kunnen zijn om een object te hebben dat in het interieur van je huis past dat in één oogwenk kan aangeven of de luchtvochtigheid goed genoeg is.”
Ook voor elektronica kan het materiaal handig zijn, denkt de onderzoeker. “Steeds vaker worden elektronische elementen zoals printplaten of circuits geprint met extrusietechnieken. Er zou dan in het geprinte object ook een element gemaakt kunnen worden met mijn inkt die aangeeft of er geen vocht bij de elektronica is gekropen.”
Een korte slag en een lange slag
Zijn materiaal heeft als grote voordeel dat de kleurverandering ontstaat door moleculaire ordening en niet door kleurstoffen. Daardoor is de kleur ten eerste makkelijk aan te passen en ten tweede net zo vast als het materiaal. Dat is fijn, omdat over smaak nu eenmaal niet valt te twisten, zegt de onderzoeker. “En kleurstoffen zijn dikwijls het meest gevoelige onderdeel van inkten, verven en andere materialen (denk aan kleding of tuinmeubelen waarvan de kleur niet meer is, zoals bij aankoop). In het geval van mijn inkt zit de kleur ‘ingebakken’ in het materiaal, dus zolang het materiaal zelf intact blijft zal de kleur ook net zo helder blijven.”
Hoe de inkt is gemaakt? “Gedurende het ‘synthetiseren’ van de inkt gaat er een ‘chirale dopant’ in, een molecuul dat de moleculaire ordening maakt tot hoe die is: als een spiraal. De hoeveelheid dopant beïnvloedt de ‘slag’ van deze spiraal. Veel dopant zorgt voor een korte slag, dus een reflectie van een korte golflengte, en daarmee de kleur blauw. En vice versa: minder dopant leidt tot een langere slag, een langere reflectiegolflengte, en dus de kleur rood. Dit is tijdens de synthese van de inkt geheel naar eigen inzicht te sturen.”
De kleurige kever
Om te bewijzen dat de technologie werkt, heeft Sol een kever in 4D gemaakt. “Eerst heb ik een kever van hard plastic geprint en daarop een schild aangebracht met iriserende, 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 de gevoeligheid voor vocht kan manipuleren, door de moleculen minder of meer geladen te maken. “Dat biedt allerlei mogelijkheden voor toekomstige toepassingen.”
Om zijn techniek te testen, 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 omlaag, dan werd de kever weer groen. “Dat laatste is cruciaal”, zegt Sol. “Dat betekent dat het effect omkeerbaar is. Het voorwerp kan dan weer opnieuw worden gebruikt als sensor bijvoorbeeld.”
Betoverend
Sol is onder de indruk van de ontstane materialen. “Om te zien dat een molecuul dat ik in een zuurkast heb gemaakt, een molecuul dat zelf kleurloos is, vervolgens kleurvorming veroorzaakte in mijn inkt zal ik altijd magisch vinden. Dat na het uitharden van de inkt, een normaliter corrosieve zuurbehandeling, mijn materiaal werd tot wat het is—watergevoelig en dynamisch—is misschien net zo betoverend.”
Het heeft hem oprecht verrast dat het lukte om door middel van 3D-printen een gekleurde structuur te creëren. “Dit vergt enige achtergrond: vloeibare kristallen zijn vloeistoffen waarin de moleculen bij voorkeur allemaal dezelfde richting op wijzen. Deze richting laat zich eenvoudig sturen, bijvoorbeeld door stromingsvelden die ontstaan tijdens 3D-printen. “Dat de ‘chirale dopant’ dan toch sterk genoeg was om de invloed van dit stromingsveld te breken en een licht-reflecterende structuur te organiseren was een grote verrassing. Zonder deze vondst, was dit werk nooit tot stand gekomen. Dan was voor het 3D-printen van gekleurde objecten waarschijnlijk nog veel langer een statische kleurstof of pigment nodig geweest. Om nog maar te zwijgen over een vochtgevoelige kleurverandering…”
De toekomstige mogelijkheden voor zijn inkt zijn eindeloos, denkt de wetenschapper. “Dit materiaal zou ook geschikt zijn voor wearables, zoals armbanden, horloges of ringen, waarbij de te herkennen stof via de huid vrijkomt.”
Maar vooralsnog is een kever die van kleur verandert ook al heel bijzonder:
