Slimme schakelaars nog slechts een handvol atomen groot

Mogelijk doet de term ‘slimme schakelaars’ niet onmiddellijk een belletje rinkelen. Zijn ze het nieuwste snufje op de markt? Een modeproduct dat na luttele maanden op de schroothoop zal belanden? Er is weinig kans dat slimme schakelaars binnenkort de prullenmand in gaan waar ook uw palmtop en Google glasses al een voortijdig einde vonden. U beseft het misschien niet, maar ze zijn al onder ons.

Op dit eigenste moment zorgen slimme schakelaars ervoor dat u comfortabel verder kunt blijven lezen. Zo beseft de thermostaat dat het net wat te fris geworden is. Als een volleerde drilmeester aarzelt die niet en zweept de verwarming op om iets beter haar best te doen. Bovendien heeft ook het ventilatiesysteem gemerkt dat het buiten wel erg koud is. Zonder uw tussenkomst wordt daarom de toevoer van ijzige buitenlucht afgesloten. Zelfs het sombere weer mag geen reden zijn om hier al op te houden met lezen. Wie weet leest u dit immers op uw nieuwste smartphone, die zonder verpinken de helderheid van uw scherm aan het omgevingslicht aanpast. U merkt het: slimme schakelaars zijn overal.

Het basisprincipe is relatief eenvoudig. Alles begint bij de sensor. Die is afgestemd op een bepaalde prikkel, zoals temperatuur of licht, en geeft een signaal wanneer een drempelwaarde bereikt wordt. Dat signaal wordt dan via een regelend systeem doorgegeven aan een uitvoeringseenheid, de actuator. In het geval van uw thermostaat is de sensor wellicht een temperatuursafhankelijke weerstand. Bij de actuator gaat het dan weer om een klep die de gastoevoer van uw verwarmingsketel regelt, of een pomp die stookolie aanlevert.

Slimme schakelaars zijn een cruciaal onderdeel van heel wat technologische hoogstandjes, maar net daar zit ook een groot knelpunt. Terwijl de grootte van sensoren en actuatoren de voorbije jaren weinig veranderde, blijven elektronische componenten steeds kleiner worden. De Amerikaanse fysicus en Nobelprijswinnaar Richard Feynman wist het al in 1959: er is meer dan genoeg ruimte onderaan. Met voldoende kleine werktuigen hebben we een ongeziene controle om materialen te bouwen of geneeskundige handelingen uit te voeren.

In de elektronica wordt deze trend beschreven door de wet van Moore, die stelt dat de afmetingen van een transistor elke twee jaar halveren. Kleinere transistoren zijn een van de belangrijkste redenen voor de steeds toenemende computerkracht. Een gelijkaardige evolutie vindt plaats op het gebied van micro-elektromechanische systemen, waarbij apparaatjes van een honderdste van een haarbreedte een voorgeprogrammeerde beweging kunnen uitvoeren. En slechts twee jaar geleden ontving prof. Feringa van de Universiteit van Groningen samen met een Schotse en Franse collega de Nobelprijs in de Chemie voor het ontwerp van moleculaire motoren, die nog duizend keer kleiner zijn.

Een miniaturisatie van slimme schakelaars kon daarom niet uitblijven. Het belangrijkste principe daarbij is dat de functie van sensor en actuator in een enkel materiaal verenigd worden. Dat laat immers een grote ruimtebesparing toe. Dat kan gaan om materialen die gassen of vloeistoffen in zich opnemen zodra een zekere druk bereikt wordt, of van vorm veranderen zodra licht met de juiste golflengte invalt.

Een veelbelovende materiaalklasse is die van de metaal-organische roosters (metal-organic frameworks of MOFs). Deze materialen bevatten zowel metalen als organische onderdelen. Bovendien lijken MOFs wanneer je voldoende inzoomt een beetje op sponzen: op moleculaire schaal zijn ze doorzeefd met zeer kleine poriën. Het zijn net die poriën die het materiaal een sterke respons op allerlei prikkels geven.

Het prototype van een schakelende MOF is MIL-53. Wanneer voldoende druk uitgeoefend wordt, klappen de poriën van MIL-53 dicht, wat tot een plotse volumeverandering leidt. Een gelijkaardige reactie vindt plaats wanneer gassen in het rooster opgenomen worden. Ten slotte is er ook een temperatuurafhankelijkheid: vanaf een zekere drempelwaarde gaan de poriën open of toe. Deze overgang tussen een groot en klein volume doet denken aan de uitzetten of inkrimpen van de longen wanneer we ademhalen. Vandaar dat MIL-53 ook een ademende MOF genoemd wordt.

Om een poreus materiaal als MIL-53 als slimme schakelaar te gebruiken, ontbreekt echter nog één cruciaal ingrediënt: de respons op prikkels moet regelbaar zijn. Dit was dan ook de focus van een team wetenschappers van het Centrum voor Moleculaire Modellering (Universiteit Gent) en de Universiteit van Wenen, waar ik zelf ook deel van uitmaakte. Met behulp van geavanceerde computersimulaties toonden we aan dat we het temperatuursgedrag van MIL-53 geregeld kon worden door de bouwblokken van het materiaal op een slimme manier te kiezen.

Een eerste stap bestaat erin meer inzicht te krijgen in het ademen van MIL-53. Waarom gaan de poriën open wanneer je opwarmt, en sluiten ze zich terug bij het afkoelen? We vonden het antwoord door in te zoomen tot op het niveau van de afzonderlijke atomen. De wanden van de poriën van MIL-53 trekken elkaar van nature aan, maar dat wordt verhinderd doordat de atomen in de poriewanden ook wat bewegingsvrijheid willen overhouden. Hoe warmer het wordt, hoe sterker de atomen gaan trillen en hoe belangrijker die bewegingsvrijheid wordt. Daarom kunnen de poriën slechts dichtgaan als het voldoende koud wordt. De temperatuur waarbij de overschakeling tussen open en gesloten poriën plaatsvindt, hangt dus af van hoe sterk de poriewanden elkaar aantrekken en hoeveel bewegingsvrijheid de atomen hebben.

Met dit inzicht gingen we aan de slag om kleine aanpassingen aan MIL-53 voor te stellen. Wanneer de poriewanden elkaar niet aantrekken, klappen de poriën niet meer dicht. Omgekeerd kan je de aantrekking zo sterk maken de poriën nooit bij een nuttige omslagtemperatuur zullen open gaan. Het aftasten van die subtiele balans is daarom cruciaal om ademende MOFs als thermostaat te kunnen gebruiken. Een gelijkaardige aanpak is mogelijk om druk of de aanwezigheid van gassen te meten.

Slimme schakelaars zijn overal en lijken nu ook kleiner dan ooit te worden. Er is weinig kans dat minuscule, ademende sponzen straks de winterkilte uit uw woning helpen verdrijven. Vooral voor gespecialiseerde elektronische of geneeskundige toepassingen zijn ze de moeite waard. Maar dat slimme schakelaars terug zijn van nooit weggeweest, dat is wel een feit. Nu nog een middel vinden om die verdraaide zomer terug aan te schakelen.

Beginfoto: Nuno Alberto op Unsplash. Pictogrammen door Smartline, Freepik, srip, DinosoftLabs op www.flaticon.com onder een Creative Commons BY 3.0 licensie. Afbeelding van MIL-53-thermostaten door Wim Dewitte.

Een gedetailleerd technisch artikel is verschenen in Nature Communications, en beschrijft dit onderzoek van Jelle Wieme, Kurt Lejaeghere en Veronique Van Speybroeck (Centrum voor Moleculaire Modellering, Universiteit Gent) en Georg Kresse (Universiteit van Wenen)