Vormgeheugen bereikt voor objecten van nanoformaat

Legeringen die na vervorming kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke structuur hebben een zogenaamd vormgeheugen. Dit fenomeen en de resulterende krachten worden gebruikt in veel mechanische aandrijfsystemen, bijvoorbeeld in generatoren of hydraulische pompen. Het is echter niet mogelijk geweest om dit vormgeheugeneffect op kleine nanoschaal te gebruiken. Objecten gemaakt van een legering met vormgeheugen kunnen alleen hun oorspronkelijke vorm aannemen als ze groter zijn dan ongeveer 50 nanometer.

Onderzoekers onder leiding van Salvador Pané, hoogleraar Materials of Robotics aan de ETH Zürich, en Xiang-Zhong Chen, een senior wetenschapper in zijn groep, konden deze beperking omzeilen met behulp van keramische materialen. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie, demonstreren ze het vormgeheugeneffect op een laag van ongeveer twintig nanometer dik en gemaakt van materialen die ferro-oxiden worden genoemd. Deze prestatie maakt het nu mogelijk om het vormgeheugeneffect toe te passen op kleine machines op nanoschaal.

Er is een speciale structuur nodig

Op het eerste gezicht lijken ferrozuuroxiden niet erg geschikt voor het vormgeheugeneffect: ze zijn bros in massa en om er zeer dunne lagen van te maken, moeten ze meestal op een substraat worden gefixeerd, waardoor ze inflexibel. Om toch het vormgeheugeneffect te kunnen opwekken, gebruikten de onderzoekers twee verschillende oxiden, bariumtitanaat en kobaltferriet, waarvan ze tijdelijk dunne laagjes op een magnesiumoxidesubstraat aanbrachten. De roosterparameters van de twee oxiden verschillen aanzienlijk van elkaar. Nadat de onderzoekers de tweelaagse strip hadden losgemaakt van het ondersteunende substraat, zorgde de spanning tussen de twee oxiden voor een spiraalvormige getordeerde structuur.

Dergelijke vrijstaande structuren op nanoschaal gemaakt van ferro-oxiden zijn zeer elastisch, veerkrachtig en maken flexibele bewegingen mogelijk. Bovendien vertoonden ze een vormgeheugeneffect: wanneer de onderzoekers mechanische trekkracht op de structuur uitoefenden, strekte deze zich uit en vervormde permanent. Vervolgens richtten de wetenschappers een elektronenstraal van een scanning-elektronenmicroscoop op de vervormde structuur; het keerde terug naar zijn oorspronkelijke vorm. De elektrische energie veroorzaakte zo een vormgeheugeneffect. De laagdikte van ongeveer twintig nanometer is de kleinste monstergrootte waarop ooit een dergelijk effect is waargenomen.

Gewoonlijk wordt in andere voorbeelden het vormgeheugeneffect veroorzaakt door thermische of magnetische manipulatie. “De reden dat het werkt met elektrische straling in ferro-oxiden kan te maken hebben met de oriëntatie van de polarisatie binnen de oxiden, vermoeden we”, zegt Chen. Terwijl de vrijstaande structuur wordt uitgerekt, wordt de polarisatie binnen de oxiden evenwijdig uitgelijnd met het structuurvlak. De elektronenbundel zorgt er echter voor dat de polarisatie loodrecht op het structuurvlak uitlijnt, waardoor de mechanische spanning verandert en samentrekt tot zijn oorspronkelijke vorm.

Breed scala aan toepassingen

Deze reactie op de elektrische energie is geschikter voor een breed scala aan toepassingen, omdat punctuele temperatuurmanipulaties (conventioneel gebruikt om vormgeheugen te induceren) niet mogelijk zijn op nanoschaal. Een voorbeeld van een toepassing: dankzij hun hoge elasticiteit kunnen de oxiden spiervezels of delen van de wervelkolom vervangen.

“Andere toepassingen zijn nieuwe robotsystemen op nanoschaal: de mechanische beweging die optreedt bij het schakelen tussen de twee structuren kan worden gebruikt om kleine motoren aan te drijven”, zegt Donghoon Kim. Hij werkte als promovendus aan dit onderzoek en is een van de twee hoofdauteurs. “Bovendien zou onze aanpak ook de ontwikkeling van duurzamere kleinschalige machines kunnen vergemakkelijken, omdat het materiaal niet alleen elastisch maar ook duurzaam is”, zegt Minsoo Kim, postdoc en tevens hoofdauteur.

Het toepassingsgebied kan zelfs worden uitgebreid tot flexibele elektronica en zachte robotsystemen. In een andere studie, die de onderzoekers zojuist in het tijdschrift hebben gepubliceerd Geavanceerde materiaaltechnologieën, waren ze in staat om dergelijke vrijstaande oxidestructuren verder te ontwikkelen, zodat hun magneto-elektrische eigenschappen nauwkeuriger kunnen worden gecontroleerd en afgestemd. Met dergelijke vormgeheugenoxiden kunnen onder meer nanorobots worden gemaakt die in het lichaam worden geïmplanteerd en cellen kunnen stimuleren of weefsel kunnen repareren. Door externe magnetische velden kunnen de nanorobots worden geactiveerd om in een andere vorm te transformeren en specifieke functies in een menselijk lichaam uit te voeren.

“Bovendien kunnen de magneto-elektrische eigenschappen van deze oxidestructuren met vormgeheugen onder andere worden gebruikt om cellen in het lichaam elektrisch te stimuleren, bijvoorbeeld om neuronale cellen in de hersenen te activeren, voor harttherapieën of voor het versnellen van het botgenezingsproces.” zegt Pané. Ten slotte zouden de magneto-elektrische vormgeheugenoxiden kunnen worden gebruikt in apparaten op nanoschaal, zoals kleine antennes of sensoren.