In Pittsburgh, Pennsylvania, is bedacht hoe je een kunststofhuidje kunt kweken rond microdruppeltjes van vloeibaar metaal. Zo worden zulke druppeltjes pas echt nuttig als geleidende vulstof, schrijven Krzysztof Matyjaszewski, Carmel Majidi en collega’s van Carnegie Mellon University in Nature Nanotechnology.

Qua toepassingen zou je kunnen denken aan materialen voor soft robots met gevoel in hun grijpvingers, een van Majidi’s interessegebieden. Maar voorlopig hebben de auteurs zich beperkt tot uitproberen van wat er met dergelijke materialen allemaal kán.

Als metaal gebruiken ze EGAIn, een ‛eutectisch’ mengsel van 75,5 % gallium en 24,5 % indium dat smelt bij ongeveer 15 ºC. Al eerder experimenteerde Majidi met rubber waar hij druppeltjes van dit metaal in dispergeerde om de warmte-afvoer te verbeteren: hij verpakte er onder meer ‛draagbare’ elektronica in die je op de huid kon dragen zonder schroei-effecten. In het lab werkte dat schitterend. Maar de moeite die het kost om zulke metaaldruppels homogeen en met constante diameter door een nog niet uitgehard rubber-halffabrikaat te mengen, maakt grootschalige toepassing in de praktijk wat minder waarschijnlijk.

Vandaar dat kunststof huidje. Matyjaszewski kweekt de polymeerketens ter plekke met behulp van atom transfer radical polymerization (ATRP), een concept dat hij in 1995 octrooieerde en dat hem volgens velen ooit een Nobelprijs zal opleveren. Voordeel van ATRP is vooral dat je de lengte van de ketens, en dus de kwaliteit van de kunststof, zeer goed in de hand hebt.

De hier gepresenteerde variant heet SI-ATRP, waarbij SI staat voor surface initiated. Als initiator, het molecuul van waaruit de ketenvorming start, dient 12-(2-broomisobutyramido)dodecaanzuur, afgekort BiBADA. Het ‛zure’ uiteinde van dit molecuul kan zich hechten aan een metaaloxide. Bijvoorbeeld aan het flinterdunne galliumoxidelaagje dat zich vanzelf op EGaIn vormt wanneer je het blootstelt aan zuurstof.

Als monomeer, waaruit je de kunststofketens opbouwt, gebruik je een acrylaat. Bijvoorbeeld methylmethacrylaat (MMA) of n-butylmethacrylaat (BMA).

Het recept komt er op neer dat je EGaIn als kleine druppeltjes dispergeert in een organisch oplosmiddel, met behulp van een ultrasoonbad. Vervolgens voeg je BiBADA toe, en daarna voer je de zuurstof af en doet er de resterende ingrediënten voor de ATRP bij. In de praktijk moet je er een eenpotsreactie van zien te maken: als je tussentijds dingen moet afcentrifugeren, gaan de onvoltooide druppeltjes snel kapot.

Eenmaal voltooid zijn de druppeltjes uiterst stabiel. Je kunt ze zo wél gemakkelijk door een hars mengen die je daarna laat uitharden, bijvoorbeeld tot een rekbaar elastomeer. Maar je kunt ook gewoon het oplosmiddel er uit dampen zodat de huidjes in elkaar overvloeien en samen een metaalhoudende kunststoffilm vormen.

Een bijverschijnsel is dat het smeltpunt van het metaal sterk blijkt te dalen, van +15 naar -26,8 ºC. De auteurs hebben er geen goede verklaring voor maar stellen wél dat het handig kan zijn als je het materiaal wilt inzetten in winterse omstandigheden.

bron: Nature Nanotechnology