Een piepkleine driehoek vouwen met een druppel

Een nieuwe techniek om te vouwen op de schaal van een paar miljoenste meter lijkt eenvoudig.

De benodigdheden: een dun vel plastic, waterdruppels en een waterafstotend oppervlak.

Vouwen gaat verder dan handdoeken dubbelslaan, bewijzen Franse natuurkundigen deze maand. Zij zijn erin geslaagd met waterdruppeltjes zeer kleine en dunne velletjes te vouwen tot cilinders, piramides of bloemknoppen.

Vouwen, zo schrijven de Fransen in hun onderzoeksartikel, speelt een rol bij bezigheden die uiteenlopen van origami tot haute couture – die steeds tot doel hebben elegante structuren te vormen. Het is van praktisch nut in de ruimtevaart, om zonnepanelen in compacte vorm gemakkelijker naar verre ruimtesondes te kunnen vervoeren. En het wordt gebruikt in de natuur als een bloem zich ‘s avonds weer sluit.

In hun artikel in Physical Review Letters voegen de onderzoekers, onder aanvoering van Charlotte Py van de École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles in Parijs, daar nu een nieuwe toepassing aan toe.

Door slim te vouwen op de schaal van micrometers – van duizendste millimeters dus – zou je minuscule structuren kunnen maken. Die dan hun weg kunnen vinden in micro-elektromechanische systemen; systemen waarin bijvoorbeeld minuscule spiegeltjes of schakelingen werkzaam zijn. Dat die nu nog maar beperkt gebruikt worden – in printers, airbagsensoren of schakelingen in de telecommunicatie – komt onder meer doordat ze zo lastig te produceren zijn.

De nieuwe techniek die de Fransen voorstellen, klinkt simpel. In feite hadden zij maar drie dingen nodig: Een dun (40 tot 80 micrometer) velletje plastic (polydimethylsiloxaan). Een zeer waterafstotend werkoppervlak. En waterdruppeltjes (met een inhoud van 1 tot 80 microliter).

De werkwijze was om vormpjes te ‘knippen’ uit het plastic, zoals vierkantjes, driehoekjes of zesbladige bloemen. Om die vormpjes vervolgens plat uit te spreiden op het waterafstotend oppervlak. En om dan op elke vorm een waterdruppel te laten vallen op zo’n manier dat de vorm er volledig door werd bedekt.

De rest ging eigenlijk vanzelf: naarmate meer water verdampte en de druppel kromp, werden de hoekpunten van de vormpjes verder omhooggetrokken en naar elkaar gevouwen. Een vierkant velletje transformeerde zo in een cilinder, een driehoek in een piramide (met iets naar binnengezogen wanden) en een bloem in een knop.

Of de knop zich volledig sluit en of de piramide niet halverwege het proces terugzakt naar een platte driehoek, hangt af van de balans tussen twee processen. Krijgt de elasticiteit van het materiaal de overhand, dan keert het plastic naar zijn oorspronkelijke, platte vorm terug.

Winnen de oppervlaktespanning in de waterdruppel en de bijbehorende capillaire krachten tussen het water en het plastic, dan wordt het velletje door de krimpende druppel in een driedimensionale vorm getrokken.

Met een combinatie van theorie en experimenten laten de Fransen zien dat het kritische punt kan worden aangegeven door de zogeheten elastocapillaire lengte, een maat voor de kromtestraal – anders gezegd: de vervorming – die bereikt kan worden onder bepaalde omstandigheden. Iets concreter: de elastocapillaire lengte, ofwel de vervorming, is evenredig met de dikte van het plastic velletje tot de macht 3/2. Nog concreter: hoe dunner het velletje, hoe gemakkelijker het vervormt.

En juist die eigenschap, zo concluderen de Fransen, zou de weg open kunnen leggen naar massaproductie van bepaalde – natuurlijk niet alle – minuscule structuren, simpelweg met behulp van waterdruppels.

Het filmpje van de Franse onderzoekers is te bekijken op www.nrc.nl/redactie/wetenschap/microvouwen.mov. Kijk voor afbeeldingen van een gevouwen bloem op http://focus.aps.org/story/v19/st11.