programmeren

Je kan computers al letters en beelden laten zien aan de hand van opdrachten. Maar waarom zou je niet iets van vorm kunnen laten veranderen met een programma? Programmeerbare materie belooft juist dit te bieden.

Wat is programmeerbare materie?
In principe kan je materie op verschillende manieren configurabel maken, afhankelijk van de schaal. Je kan op atoomniveau, moleculair niveau (metamaterialen) en door middel van nanorobotjes voorwerpen van vorm en eigenschappen laten veranderen.

Atoomniveau
Atomen bestaan uit een positief geladen atoomkern met nucleonen en precies genoeg negatief geladen elektronen om de totale elektrische lading nul te maken.

De chemische eigenschappen van atomen worden bepaald door het aantal elektronen. Ben je in staat het aantal elektronen van een atoom te veranderen (door de positieve kern meer of juist minder lading te geven), dan verander je hiermee dus de chemische eigenschappen: stikstof wordt zuurstof en dergelijke.

Op commando het aantal (positief geladen) protonen in de kern aanpassen van een individueel atoom is nog niet mogelijk (atoombommen lenen zich niet echt voor consumententoepassingen), maar wel kunnen enorme kunstmatige atomen worden geconstrueerd: holtes, enkele tientallen tot honderden atomen groot met hierbinnen elektronen: quantum dots. Quantum dots worden nu al gebruikt voor nanolasers en bepaalde optische effecten: het aantal elektronen in een quantum dot en de energie waarmee ze zijn gebonden bepaalt namelijk de kleur. Sommige onderzoekers zijn er in geslaagd zwakke bindingen tussen quantum dots tot stand te brengen.

Mocht het ooit lukken om kleinere programmeerbare atomen te bouwen en lukt het om hiermee chemische bindingen met ‘echte’ atomen en moleculen tot stand te brengen, dan beschik je uiteraard over een zeer interessante programmeerbare katalysator. Je kan dan letterlijk moleculen stap voor stap bouwen, in plaats van zoals nu gebeurt, astronomische hoeveelheden uitgangsmoleculen bij elkaar te gooien, met elkaar te laten reageren en dan met veel kunst en vliegwerk het gewenste eindproduct uit de massa zeven.

Nu peperdure medicijnen zoals menselijke hormonen zouden dan ook voor armere mensen betaalbaar worden (al blijven uiteraard de onderzoekskosten, bijwerkingen en werkzaamheid van niet-menselijke stoffen hoog).

Moleculair niveau en metamaterialen

De eigenschappen van materialen zijn te veranderen, niet alleen door de verhouding waarin atomen onderling voorkomen te veranderen en de moleculaire bindingen van atomen te veranderen, maar ook door de ruimtelijke ordening van atomen en moleculen in het materiaal te manipuleren. De natuur was ons hier al voor: de lotus heeft bijvoorbeeld een waterafstotende oppervlakte. Niet door vetten, maar door nanostructuurtjes die lijken op stekels: het lotuseffect. Dit effect dat milieuvervuilende oppervlaktecoatings vervangt wordt op dit moment al uitgebuit door sommige fabrikanten.

Sommige vlinders, zoals morpho’s, en andere insekten hebben vleugels met een metaalachtige (of parelmoerachtige) glans. Niet door metaaldeeltjes in de vleugels, maar door het iriserende effect van laagjes die licht reflecteren en, afhankelijk van de golflengte, uitdoven of juist versterken. Ook hier dus geen afwijkende atomen, maar een andere rangschikking van atomen. Deze effecten zijn ook te manipuleren. Zo zijn er geheugenmaterialen die onder invloed van warmte of stroom van vorm veranderen. Microsoft doet hier onderzoek naar voor de volgende generatie beeldschermen die in tafels ingebouwd zullen worden. Sommige dieren, zoals kameleons en octopussen kunnen van kleur veranderen door chromatoforen, cellen met kleurstof, te manipuleren. Dit principe is uiteraard ook toe te passen in programmeerbare metamaterialen, hoewel de mogelijkheden een kleur te genereren door de nanostructuur van een oppervlak te manipuleren veel interessanter is.

Claytronics
Met nanorobotjes kan ook programmeerbare materie worden verwezenlijkt. Deze robotjes, in het claytronics-jargon catoms genaamd, hechten zich als een soort trapezewerkers aan elkaar en kunnen elke denkbare vorm innemen, zoals klei, vandaar de naam van dit concept: claytronics. Het bekendste equivalent uit de natuur zijn trekmieren, die levende tunnels en drijvende bollen kunnen vormen om de rest van de kolonie mee te vervoeren. Je kan ook slijmzwammen, zelfstandig levende eencelligen die zodra de leefomstandigheden ongunstig worden zich aaneensluiten tot een enkel organisme, zo zien. Claytronics op macroschaal is al mogelijk: in 2005 is samenwerking bereikt tussen programmeerbare robotjes van 44 millimeter groot die door middel van elektrische en magnetische invloeden aan elkaar blijven kleven. Onderzoekers van de Amerikaanse Carnegie-Mellon universiteit werken nu aan catoms van een millimeter groot die in enorme aantallen kunnen worden gefabriceerd.