Een nieuw materiaal, dat is ontwikkeld door Amerikaanse wetenschappers, maakt het mogelijk om voorwerpen in het water te verplaatsen en om hun as te laten draaien zonder fysiek contact. Deze techniek kan bijvoorbeeld worden ingezet voor onderwaterrobots en kan zelfs de scalpel bij sommige chirurgische ingrepen overbodig maken.
We kennen geluid vooral als iets wat we horen: een beat, een stem, een melodie. Maar geluidsgolven zijn veel meer dan alleen trillingen die onze oren binnendringen. Ze kunnen pijnlijke nierstenen verpulveren, de oceaanbodem in kaart brengen en nu ook voorwerpen onder water verplaatsen zonder ze aan te raken. Hoofdonderzoeker Dajun Zhang van de University of Wisconsin-Madison ontwikkelde daarvoor een ‘metamateriaal’ waarmee hij onder water met behulp van geluidsgolven objecten kan duwen, trekken en roteren.
Wat is een metamateriaal?
Een metamateriaal is geen standaard materiaal, maar een slim bouwwerkje dat zijn bijzondere eigenschappen ontleent uit zijn interne structuur. In Zhangs geval gaat het om een oppervlak met een fijn zaagtandpatroon. Dat zorgt ervoor dat geluidsgolven die erop botsen op een unieke manier terugkaatsen. Zhangs techniek werkt als volgt: door meerdere luidsprekers rond het metamateriaal te plaatsen, kan hij precies regelen hoe de geluidsgolven het materiaal raken. De reflectie van die geluidsgolven zorgt ervoor dat een kracht op het object wordt uitgeoefend die zo sterk is, dat het kan gaan bewegen. En dit alles onder water, zonder direct contact.
In zijn experimenten maakte Zhang het metamateriaal aan allerlei lichte voorwerpen vast. Zo was hij in staat om hout, schuimrubber en objecten van was te verplaatsen en te laten draaien. Zelfs volledig ondergedompelde voorwerpen waren niet veilig voor hem. Deze ‘nauwkeurige driedimensionale manipulatie’, zoals Zhang het noemt, is nog niet eerder gepresteerd. De onderzoeker krijgt complimenten van vakgenoten voor de spectaculaire sprong vooruit in onderwatertechnologie.
Van duikboot tot menselijke cel
“Het metamateriaal geeft ons de kans om verschillende akoestische krachten uit te oefenen op objecten in vloeistoffen”, legt Zhang uit. “Dat is nuttig voor onderwaterrobots, onderdelenmontage, medische apparatuur en het kan zelfs de medicijnafgifte in het lichaam reguleren.” Dat laatste is misschien wel het meest veelbelovend: de toepassingen in het menselijk lichaam zijn legio. Omdat wij voor zo’n 60 procent uit water bestaan, zijn via deze technologie allerlei nieuwe vormen van niet-invasieve chirurgie mogelijk en wordt de gerichte toediening van medicijnen een koud kunstje, allemaal gestuurd door geluidsgolven in plaats van scalpels of katheters.
De hoge kostprijs van de ontwikkeling van dit soort metamaterialen en de matige werking ervan zetten bij eerdere pogingen een streep door de rekening. Zhang ontwikkelde daarom een totaal nieuw productieproces. “Huidige fabricagemethoden bieden niet de resolutie of materiaaleigenschappen die nodig zijn. Bovendien zijn ze vaak heel duur”, legt hij uit. “Mijn methode is goedkoop, eenvoudig en levert materialen op met een groot contrast in akoestische eigenschappen ten opzichte van water.” Die combinatie, hoge resolutie en laag gewicht, maakt Zhangs metamateriaal erg geschikt voor zowel medisch gebruik als industriële toepassingen.
Kleiner, flexibeler en krachtiger
De Amerikaan is met zijn hoofd al bij een volgende generatie metamaterialen. Hij denkt aan kleinere en flexibelere patches die in de praktijk voor nóg betere resultaten moeten gaan zorgen. “Onze studie geeft nieuwe mogelijkheden voor akoestische metamaterialen onder water én voor toepassingen binnen het menselijk lichaam”, aldus Zhang. “Met deze technologie kunnen we krachten op afstand uitoefenen, of het nu gaat om zweven, bewegen of manipuleren, zonder dat we het object ooit aan hoeven te raken.”
