Marangoni-­effect

Schaatsenrijder leert robotjes zijn kunsten

De schaatsenrijder legt in een seconde zestig keer zijn lichaamslengte af. Beeld Wikipedia
De schaatsenrijder legt in een seconde zestig keer zijn lichaamslengte af.Beeld Wikipedia

Het bijzondere talent van de schaatsenrijder is de basis voor nieuwe robotica. Een technologie die nog van pas kan komen, bijvoorbeeld bij het opruimen van plastic.

De schaatsenrijder schiet over het wateroppervlak, met indrukwekkende snelheden. Hij haalt meer dan 2 kilometer per uur. Dat lijkt traag, maar het betekent dat de schaatsenrijder in een seconde zestig keer zijn lichaamslengte aflegt. Als de mens dat wil evenaren, moet hij in een seconde de honderd meter lopen.

Het insect krijgt dat voor elkaar door handig gebruik te maken van het wateroppervlak. De schaatsenrijder heeft voor de voortbeweging vier lange poten. Als hij de voorste twee daarvan naar achteren beweegt, vervormen ze het wateroppervlak waarop ze rusten. De vervorming geeft een verschil in oppervlaktespanning, en dat spanningsverschil duwt de schaatsenrijder uit de startblokken.

Wijndrinkers kennen het: het Marangoni-effect

Dit verschijnsel staat in de natuurkunde bekend als het Marangoni-effect, naar de Italiaanse wetenschapper die het voor het eerst beschreef, anderhalve eeuw geleden. Wijndrinkers kennen het. Als zij hun wijn rond laten gaan in het glas vormt zich boven het vloeistofoppervlak een ring waaruit druppels naar beneden zakken: de tranen van de wijn. Ook dat is een Marangoni-effect. Uit de wijn langs de wand van het glas verdampt wat alcohol, waardoor die wateriger wordt dan de wijn onderin. En meer water betekent meer oppervlaktespanning. Er ontstaat een verschil in oppervlaktespanning, waardoor wijn in het glas van beneden naar boven wordt gehaald tot deze, door de zwaartekracht, als tranen weer terugzakt.

Er zijn allerlei chemische en fysische middelen om een verschil in oppervlaktespanning te creëren en dus beweging in gang te zetten op een vloeistofoppervlak. Maar geen van die methoden kon in de schaduw staan van de schaatsenrijder. Dat is Chinese wetenschappers, van de Fudan Universiteit in Shanghai, nu wel gelukt. Ze hebben kunststof schaatsenrijders gebouwd, robotjes, die kunnen bewegen over water­oppervlak. En bijzonder: zónder enige fysische of chemische aandrijving van buiten.

Het is fundamenteel onderzoek om een nieuw principe te bewijzen. De ‘robotjes’ zijn nietige klompjes van een centimeter in doorsnee. Maar ze werken. Het vernuft zit in het materiaal. De onderzoekers ­hebben een hydrogel gemaakt – een plastic dat veel water kan opnemen – en daarin twee verschillende molecuulketens gebouwd: een water­minnende en een watermijdende.

Voetbalveldje in een waterbak

Als zo’n bolletje hydrogel op water wordt gelegd, zal het water gaan opnemen. Daardoor verandert de rangschikking van die twee ketens ten opzichte van elkaar. Dat verandert weer de vorm van het bolletje én de druk die het op het wateroppervlak uitoefent. Er ontstaat rond het bolletje een verschil in oppervlaktespanning, net als onder de poten van de echte schaatsenrijder.

Het is de basis voor zachte robotjes die op water kunnen voortbewegen zonder enige energiebron of aandrijving. En de Chinezen laten zien dat ze de beweging kunnen controleren. Bijvoorbeeld door de vorm waarin het bolletje plastic wordt gegoten, of door het te combineren met andere materialen. En ook de interactie met de omgeving kan het bewegings­patroon bepalen; oppervlakken met verschillende eigenschappen kunnen de robotjes aantrekken of juist afstoten.

Zo bouwden de onderzoekers in hun waterbakken een voetbalveldje waar de kunststof schaatsenrijders doel wisten te treffen, en pooltafeltjes waar ze moeiteloos de pockets vonden. En ze demonstreerden een serieuze toepassing: de bolletjes hydrogel kunnen op een wateroppervlak naar plastic deeltjes bewegen die daar rondzweven, en die verzamelen. Deze technologie kan mogelijk worden gebruikt om de plastic vervuiling van de oceanen te helpen opruimen, suggereren de onderzoekers.

Domme bolletjes

Het bewegingsmechanisme is dynamisch, de bewegingen zijn flexibel, maar natuurlijk niet eindeloos. Deze bolletjes hydrogel houden het lang vol; ze kunnen op het Marangoni-­effect meer dan drie uur voortbewegen. Maar dan moeten ze even het water uit om weer helemaal droog te worden. En er is nog een puntje: het zijn domme bolletjes hydrogel, in een voortdurend veranderende ­omgeving, zoals de oceaan, zullen ze moeilijk hun weg kunnen vinden. Maar dat is allemaal een kwestie van verdere ontwikkeling, schrijven commentatoren van Science Robotics, de basis voor een bruikbare technologie is gelegd.

Lees ook:

Deze minirobots kunnen via de bloedbaan naar de hersenen reizen om tumorcellen te bestrijden

Chinese onderzoekers leveren een opmerkelijk staaltje robotica af, in de hersenen.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden