Een platte vorm wordt in warm water gelegd, begint uit zichzelf te bewegen en enkele tellen later is het ineens een kubus. Er is afgelopen jaren heel hard gewerkt aan 4D printing, met tijd als vierde dimensie. Je print een voorwerp waarbij je een responsief materiaal gebruikt dat onder invloed van omgevingsinvloeden van vorm verandert. Dat kan groeien, krimpen, maar ook openklappen, dichtklappen of twisten. Reversibele vormverandering moest tot nu toe altijd onder water plaatsvinden. Handig voor een zichzelf regulerende waterleiding bijvoorbeeld. Maar dankzij de ‘slimme inkt’ die CEC-promovendus Marc del Pozo Puig ontwikkelde, kan dat binnenkort ook onder normale omstandigheden. Zijn inkt is bovendien gevoelig voor licht, waardoor er tal van nieuwe toepassingen mogelijk zijn.

De basis van deze unieke inkt ligt in het gebruik van vloeibare kristallen, Liquid Crystals (LC), legt del Pozo uit. “Voor 4D printing worden momenteel verschillende slimme materialen gebruikt. Meestal zijn dat shape memory-polymeren of hydrogels. Het nadeel van de eerste is dat de bewegingen niet reversibel zijn. Vormveranderingen kunnen wel in de lucht, maar het zijn dus eenmalige bewegingen. Bij hydrogels kunnen de bewegingen wel heen en weer, maar dat kan alleen onder water. Een flexibeler materiaal, dat in verschillende omgevingen reversibel reageert op verschillende stimuli, hadden we nog niet. Maar Liquid Crystals kunnen we op meerdere manieren aanpassen. We kunnen spelen met de chemische samenstelling, maar ook met de moleculaire ordening. Zo kun je materialen ontwerpen die gevoelig zijn voor vochtigheid of temperatuur waarvan je de beweging heel precies kunt controleren.” En je kunt met geprinte voorwerpen een communicerend systeem maken door materialen met verschillende eigenschappen te combineren, aldus del Pozo.

Licht

Tijdens zijn promotieonderzoek bekeek del Pozo verschillende 4D-printing technieken en maakte hij met collega’s de eerste 3D LC-inkt die gevoelig is voor licht. “We konden al materialen laten vervormen door water en luchtvochtigheid, en nu dus ook door licht. Door bijvoorbeeld licht en temperatuur te combineren kun je voorwerpen maken die op verschillende manieren vervormen. Ideaal voor multitaskende ‘soft robots’, die zo steeds vloeiender en preciezer kunnen werken. Of denk aan de ontwikkeling van een printbaar kunstoog met een regelbare irisdiameter onder invloed van licht.” De eerste experimenten laten al zien dat de inkt niet toxisch is, maar voordat er daadwerkelijk een geprint oog, hart of ander lichaamsdeel geplaatst kan worden is er nog veel onderzoek nodig.

Verder kan in de voorwerpen die del Pozo maakte met de nieuwe inkt ook een kleurensensor ingebouwd worden. Ter verduidelijking laat hij een ander - bijna artistiek - filmpje zien. Een minuscule bloem verandert mee van kleur op de ademhaling van del Pozo. “Hier kun je precies zien wat ik bedoel. De bloem, zo klein als een rode bloedcel, is gemaakt met een LC-inkt. Wanneer ik op de bloem die onder de microscoop ligt adem, verandert de omgevingsvochtigheid. En daarmee kleur van de bloem. Zo’n kleurverandering kan gebruikt worden als een sensor voor vormverandering, een check dat een bepaalde beweging heeft plaatsgevonden.”

Vloeibare kristallen printen

Het werk van del Pozo en zijn collega’s resulteert in een omvangrijke handleiding voor het 4D printen met vloeibare kristallen - hij beschrijft van micro tot macrostructuur, reagerend op verschillende externe prikkels en diverse printtechnieken. Maar na al het fundamentele onderzoek zoekt del Pozo nu een nieuwe plek waar hij meer toepassingsgericht aan de slag kan met 4D-printen. Wel graag in Nederland, voegt hij met een knipoog toe. Want hij is net gewend aan de Nederlandse manier en tijd van lunchen, lacht del Pozo, waarna hij tot besluit nog een vrolijk ‘doei’ naroept.