Dick Broer. Foto | Bart van Overbeeke

Vloeibare kristallen in beweging

Hij is al pensioengerechtigd, maar Dick Broer verdwijnt voorlopig niet achter de geraniums. Met een prestigieuze Europese Advanced Grant van 2,5 miljoen euro wil de polymeerchemicus de komende vijf jaar nog één keer iets groots neerzetten. Het doel? Materialen die in beweging komen onder invloed van licht of een elektrische spanning, waarmee je zelfreinigende coatings kunt maken, braille-displays voor tablets, of wie weet wat nog meer.

Dat het voormalig hoofd van de groep Functional Organic Materials and Devices afgelopen mei nog niet met emeritaat zou gaan, was al bekend. Afgelopen jaar kreeg Broer samen met Bert Meijer en Anja Palmans namelijk een grote TOP-PUNT-subsidie, waaraan hij de komende jaren een deel van zijn tijd zal besteden. Met de toekenning van de ERC Advanced Grant is nu helemaal duidelijk dat hij voorlopig nog niet op zijn lauweren zal rusten.

Sterker nog: hij zal de komende jaren meer tijd dan ooit kunnen besteden aan onderzoek. Zijn taken als hoofd van de vakgroep heeft hij de afgelopen periode namelijk al overgedragen aan zijn opvolger Albert Schenning. “Ik kan me nu meer met de studenten en promovendi bezighouden dan toen ik nog bestuurlijke taken had”, zegt Broer. “Ik heb zelfs de gelegenheid om weer het lab in te gaan - wellicht tot schrik van de studenten.”

Het wetenschappelijke leven van Broer draait om vloeibare kristallen, en het nieuwe project is daarop geen uitzondering. Zijn fascinatie met deze materialen, met eigenschappen die inzitten tussen vloeistoffen en vaste stoffen, stamt al uit de jaren tachtig. Voor Philips zocht hij destijds naar geschikte coatings voor glasvezels. Vloeibare kristallen leken hiervoor een goede kandidaat, maar dat bleek een doodlopende weg.

Toepassing van deze materialen in beeldschermen, de bekende lcd’s (liquid crystal displays), was daarentegen een doorslaand succes. Broer en zijn collega’s bij Philips bedachten een compensatielaag van vloeibare kristallen, die ervoor zorgt dat je het beeld ook goed kunt zien als je er onder een schuine hoek naar kijkt. “De door ons ontwikkelde materialen zitten tegenwoordig in vrijwel alle hoogwaardige lcd-tv’s en computerschermen”, zegt Broer. “Je kunt stellen dat dit het belangrijkste wapenfeit uit mijn carrière is. En dat ik op die manier mijn sporen verdiend heb met toepassingen in lcd-schermen, speelt ook weer een rol bij de toekenning van deze Europese topsubsidie.”

Bijzonder aan vloeibare kristallen is dat je de richting van de moleculen kunt veranderen, of de mate van ordening, door ze bloot te stellen aan een elektrische spanning, licht, of warmte. De oriëntatie van de moleculen ten opzichte van de polarisatie van het licht bepaalt de optische eigenschappen van het materiaal (meer in het bijzonder: of het de polarisatie van het licht draait, of onveranderd laat). De werking van lcd’s berust op die elektrisch schakelbare optische eigenschappen.

Maar vloeibare kristallen hebben nog meer in hun mars: als ze zijn opgebouwd uit bijvoorbeeld staafvormige moleculen, die in de zogeheten vloeibaar kristallijne toestand allemaal in dezelfde richting wijzen, dan neemt het materiaal in die richting meer ruimte in dan in de richtingen loodrecht daarop. Ga je vervolgens over naar een minder geordende toestand, dan krimpt het materiaal dus in de lengterichting, terwijl het uitzet in de andere richtingen. Op die manier creëer je beweging in het materiaal zelf. Het is die beweging waar Broer zich momenteel op richt, en waarmee hij zijn carrière van een mooi slotakkoord hoopt te voorzien.

Het beestje tilt zijn pootjes
één voor één op

Tijdens een bezoek aan de laboratoria in Helix en Ceres (het hoofdkwartier van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen, waaraan Broer ook verbonden is) wordt duidelijk dat die bewegende materialen niet iets zijn voor de verre toekomst. Promovenda Anne Hélène Gelebart haalt een paar doorzichtige stukjes flexibel folie tevoorschijn, die doen denken aan kleine plastic raamstickertjes. Eén stukje folie oogt als een duizendpoot, met een langgerekt lichaam en aan weerszijden rijen pootjes. De Française laat het licht van een UV-lampje over het beestje glijden, dat als bij toverslag zijn pootjes één voor één optilt, alsof hij probeert weg te vluchten voor het felle licht.

Het is maar één van de vele vormen waarmee Gelebart experimenteert, vooralsnog met een schaartje als belangrijkste hulpmiddel. Maar het gefröbel geeft de onderzoekers een idee van wat er allemaal mogelijk is. “Ik heb ook een wieltje gemaakt, dat je een paar keer rond kunt laten draaien”, vertelt ze. “En we zijn bezig met een soort grassprietjes van vloeibare kristallen die meebewegen met het licht.” Met dergelijk kunstgras kun je vloeistoffen mengen in microkanaaltjes, en op grotere schaal kun je er wellicht behang van maken met ventilatorwerking.

Met bewegende ribbelcoatings kun je zonnecellen in de woestijn reinigen - zonder water

Postdoc Danqing Liu laat in het lab in Ceres zien hoe gladde folies van vloeibare kristallen plotseling ribbels krijgen als je er een elektrische spanning opzet. Op een computerscherm - want we hebben het over ribbels van een micrometer op een tien keer zo dikke coating - alleen zichtbaar met een gespecialiseerde microscoop. “Hiermee kun je oppervlakken naar believen veranderen van glad in ruw”, legt Broer uit. “Zo kun je bijvoorbeeld microrobotjes iets laten oppakken en weer neerzetten. Of je kunt een brailletoetsenbord maken voor tablets.” En met de ribbelcoatings zou je zonnecellen in de woestijn kunnen reinigen na een zandstorm - zonder water. Zeker als je de ribbels als een lopende (droge) golf over het oppervlak kunt laten bewegen.

Om dergelijke ideeën in de praktijk verder te ontwikkelen, heeft de TU/e dit voorjaar samen met de South China Normal University een nieuw instituut opgericht, het Laboratory for Device Integrated Responsive Materials (DIRM) in Guanghzou. “Daar gaan ze prototypes maken op basis van onze ideeën uit het lab”, zegt Broer. Hij is wetenschappelijk directeur van het DIRM; de geraniums zijn nog lang niet in zicht.

Bart van Overbeeke maakte een filmpje van de op UV-licht reagerende folie.

Deel dit artikel