Dunne films met laserpatronen die opzwellen tot kirigami-achtige structuren bieden nieuwe mogelijkheden in de hydrogeltechnologie

Nieuwe opties voor het maken van fijn gestructureerde, zachte, flexibele en uitbreidbare materialen, hydrogels genaamd, zijn ontwikkeld door onderzoekers van de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT).

Hun werk breidt het opkomende gebied van ‘kirigami-hydrogels’ uit, waarbij patronen in een dunne film worden gesneden, waardoor deze later kunnen opzwellen tot complexe hydrogelstructuren. Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen.

Hydrogels hebben een netwerk van wateraantrekkende (hydrofiele) moleculen, waardoor hun structuur aanzienlijk kan opzwellen wanneer ze worden blootgesteld aan water dat in het moleculaire netwerk wordt opgenomen. Onderzoekers Daisuke Nakagawa en Itsuo Hanasaki werkten met een aanvankelijk droge film bestaande uit nanovezels van cellulose, het natuurlijke materiaal dat een groot deel van de structuur van plantencelwanden vormt.

Ze gebruikten laserverwerking om structuren in de film te snijden voordat er water werd toegevoegd, waardoor de film kon opzwellen. Het specifieke ontwerp van het Kirigami-patroon werkt zodanig dat de breedte toeneemt wanneer deze in de lengterichting wordt uitgerekt, wat de auxetische eigenschap wordt genoemd. Deze auxetische eigenschap komt naar voren op voorwaarde dat de dikte voldoende toeneemt wanneer de oorspronkelijke dunne film nat is.

“Omdat Kirigami letterlijk het gesneden ontwerp van papier betekent, was het oorspronkelijk bedoeld voor dunne plaatstructuren. Aan de andere kant manifesteert ons tweedimensionale auxetische mechanisme zich wanneer de dikte van het vel voldoende is, en deze driedimensionaliteit van de hydrogelstructuur komt naar voren door op te zwellen wanneer het wordt gebruikt. Het is handig om het vóór gebruik in droge toestand te bewaren, in plaats van hetzelfde watergehalte als de hydrogel te behouden”, zegt Hanasaki.

“Bovendien blijft de auxeticiteit behouden tijdens de cyclische belasting die ervoor zorgt dat de adaptieve vervorming van de hydrogel een andere structurele staat bereikt. Het zal belangrijk zijn voor het ontwerp van intelligente materialen.”

Mogelijke toepassingen voor de adaptieve hydrogels zijn onder meer zachte componenten van robottechnologieën, waardoor ze bijvoorbeeld flexibel kunnen reageren op interactie met objecten die ze manipuleren. Ze kunnen ook worden ingebouwd in zachte schakelaars en sensorcomponenten.

Hydrogels worden ook onderzocht voor medische toepassingen, waaronder weefselmanipulatie, wondverbanden, systemen voor medicijnafgifte en materialen die zich flexibel kunnen aanpassen aan beweging en groei. De vooruitgang die het TUAT-team op het gebied van kirigami-hydrogels heeft geboekt, breidt de mogelijkheden voor toekomstige hydrogeltoepassingen aanzienlijk uit.

“Het behouden van de ontworpen kenmerken en tegelijkertijd aanpassing aan de omgevingscondities tonen, is voordelig voor de ontwikkeling van multifunctionaliteit”, concludeert Hanasaki.