Vergelijkbaar met zijn misschien wel bekendere neefje origami – de Japanse kunst van het vouwen van papier – is kirigami een kunstvorm waarbij papier zowel gevouwen als gesneden wordt. De adembenemende driedimensionale ontwerpen die kirigami-kunstenaars creëren, inspireerden een team natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam tot het ontwerpen van een al even spectaculair materiaal: een materiaal dat geleidelijk van kleur verandert wanneer het wordt uitgerekt.

Kleur uit structuur

Bij gewone materialen is de kleur een gevolg van de samenstelling van het materiaal. Denk aan pigmenten in verf of kleurstoffen in textiel. Zodra een materiaal is gekozen, ligt de kleur dus ook vast. Bij het nieuwe materiaal is het de structuur van het materiaal die de kleur bepaalt. Dit type kleur, toepasselijk ‘structuurkleur’ ​​genoemd, heeft het grote voordeel dat die op elk gewenst moment eenvoudig kan worden aangepast.

In het laboratorium kunnen materialen zó worden ontworpen dat ze specifieke eigenschappen krijgen. Deze zogeheten metamaterialen bestaan ​​uit minuscule structuren die nog kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar. Hun kleur is afhankelijk van de vorm en rangschikking van deze ministructuren – vergelijkbaar met de kunst van kirigami. Wanneer een dergelijk materiaal wordt uitgerekt, bewegen en roteren de microscopische patronen, waardoor de manier verandert waarop licht vanaf het oppervlak wordt weerkaatst. Hierdoor verschuift de kleur van het licht dat door deze ‘kameleonhuid op nanoschaal’ wordt weerkaatst tijdens het uitrekken geleidelijk van groen naar geel en uiteindelijk naar rood.

Mechanisch en optisch

Het ontwerp van het materiaal was geen eenvoudig proces, herinnert eerste auteur Freek van Gorp zich: “Aanvankelijk stonden we voor een grote uitdaging: het materiaal dat we wilden gebruiken, silicium, is op macroscopische schaal vrij broos. We probeerden eerst minuscule siliciumdeeltjes op of in een flexibel substraat te plaatsen, maar het substraat zelf bracht nieuwe complicaties met zich mee. De echte doorbraak kwam toen we ons begonnen af ​​te vragen of we überhaupt wel een substraat nodig hadden. Door het silicium om te zetten in een dun gaaspatroon konden we het materiaal zowel flexibel als functioneel maken. Deze aanpak maakte het mogelijk om in één ontwerp optische metaoppervlakken te combineren met mechanische metamaterialen, wat het kleurafstemmingseffect mogelijk maakte dat we in dit werk hebben aangetoond.”

Jorik van de Groep, groepsleider van het 2D Nanophotonics Lab waar het onderzoek werd uitgevoerd, voegt daaraan toe: “Het cruciale nieuwe van dit materiaal zit in de multifunctionaliteit van de structuur. Door het dunne siliciummembraan te voorzien van nanopatronen, konden we het tegelijkertijd laten functioneren als een mechanisch metamateriaal dat de interne rotaties en verschuivingen regelt, en als een optisch metaoppervlak dat gebruikmaakt van resonante lichtverstrooiing door de structuur. Samen zorgen die twee voor de instelbare structurele kleur.”

Van simulatie naar realiteit

Nu het ontwerp van het materiaal is afgerond, werken de onderzoekers verder aan de realisatie van het concept. Ze doen dit door een echt flexibel metaoppervlak te fabriceren in de cleanroom van het nabijgelegen onderzoeksinstituut AMOLF. Nu is aangetoond hoe licht kan worden aangestuurd door beweging in plaats van door chemie, is de implementatie van dit idee in een volledig functioneel metamateriaal de logische vervolgstap. In de nabije toekomst opent dit mogelijkheden voor instelbare kleurcoatings, slimme sensoren en lichtgewicht optische apparaten die zich aanpassen aan hun omgeving.

Publicatie

Nonlocal Mechano-Optical Metasurfaces, Freek van Gorp, Wenfeng Liu, Corentin Coulais en Jorik van de Groep, ACS Photonics 12 (2025) 11, 5978–5984.