Materialen helen zichzelf | Technisch Weekblad
Nieuws

Materialen helen zichzelf

Het is mogelijk in alle technische materialen zelfreparerende eigenschappen aan te brengen. Maar dat gaat ten koste van andere eigenschappen.

Ingenieurs dromen al heel lang over bouwen en construeren zoals de natuur dat doet (zie kader). Ideeën over materialen met zelfreparerende eigenschappen zijn ook al oud. Maar tussen droom en daad, tussen idee en uitvoering, bestaat wat prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag betreft – hij is hoogleraar fundamentele aspecten van geavanceerde materialen aan de TU Delft – een groot verschil. ‘Als ingenieur vind ik dat het wel praktisch moet zijn.’

Aluminium vertoont van nature zelfherstellend gedrag: bij een kras vormt zich een corrosielaagje dat de kras afsluit. Zink heeft dat ook. Het beton van oude Romeinse bruggen vertoont betere zelfreparerende eigenschappen dan het moderne hoge sterkte beton. Het Romeinse beton bevat meer kalk, dat bij regen naar plekken spoelt waar het cement is verdwenen en daar weer een harde kalklaag vormt.

Maar hoe deze eigenschap te introduceren in materialen die dat van nature niet hebben? Gelukkig wordt het steeds beter mogelijk om op nanoschaal in te grijpen in de samenstelling van materialen. Het produceren van technische materialen komt in essentie neer op het zo nauwkeurig mogelijk neerleggen van atomen en moleculen op de juiste plek, waar ze vervolgens ook moeten blijven liggen.

 

Mobiliteit ongewenst.

Maar zelfreparatie vereist echter een zekere beweeglijkheid van moleculen: ze moeten naar een schade of scheurtje toe bewegen. Bij een gebroken been brengt het bloed kalk en andere stoffen uit het lichaam naar de breuk, waar ze vervolgens neerslaan.

De mobiliteit van atomen in een materiaal hangt samen met het smeltpunt. Hoe lager het smeltpunt, des te groter de mobiliteit. In staal en beton is de beweeglijkheid van atomen dus lager dan in polymeren.

De eisen van sterkte en zelfreparatie zijn tegengesteld aan elkaar. Dat betekent ook dat materialen mét zelfreparerende eigenschappen minder sterk zullen zijn dan materialen zónder. Per honderd materiaalatomen zullen er misschien tien nodig zijn voor het uitvoeren van reparaties en tien voor detectie, dan blijven er tachtig over voor de oorspronkelijke functie. In een niet-zelfreparerend materiaal zijn alle honderd beschikbaar voor de constructieve functie.

 

Drie eisen

Van der Zwaag formuleert drie eisen waaraan zelfreparerende materialen moeten voldoen. Ten eerste: reparatiemoleculen moeten kunnen bewegen. Ten tweede: de beweeglijke eenheden moeten worden geïnformeerd dat er schade is. En ten derde: het materiaal moet zijn oorspronkelijke functie vervullen; dat vereist onbeweeglijke moleculen.

Hoe dit in te bouwen in materialen zoals polymeren, beton en metalen? Er zijn twee routes denkbaar, aldus van der Zwaag: beweeglijkheid apart inbouwen in een vloeibare fase, óf andersoortige chemische bindingen benutten.

De eerste route kan in polymeren worden geïntroduceerd door er bolletjes vloeibare lijm in te brengen. Bij een scheur in het materiaal splijten ook de bolletjes en de vloeistof komt vrij. Deze wordt aangetrokken door de oppervlaktespanning van de scheur; dat is een natuurlijk proces. Er is dus geen aparte sensing nodig. Uitharding gebeurt onder invloed van kleine keramische deeltjes die als katalysator aan het materiaal zijn toegevoegd.

Dit experiment uit 1999 van de Amerikaan Scott White van de Universiteit van Illinois was de eerste demonstratie van zelfreparerende eigenschappen in een technisch materiaal. De microcapsules hadden toen nog een diameter van 100 micron; bij huidige experimenten is dat teruggebracht tot 5µ. De keramische katalysatoren meten slechts 1µ.

Deze vorm van reparatie werkt overigens maar één keer, terwijl de menselijke huid zichzelf in principe oneindig vaak kan repareren. Een mechanische vorm van oneindig vaak repareren is klittenband Op molecuulschaal zijn daar analogieën van. Huidige polymeren hebben hele sterke bindingen tussen de moleculen, maar kapot is kapot. Toekomstige polymeren zullen voorzien zijn van zwakkere, maar zelfherstellende bindingen tussen de moleculen.

 

Beton

Het onderzoek naar zelfreparatie in beton zal langs dezelfde twee lijnen verlopen: bolletjes ongereageerd cement opsluiten in het beton, óf de chemische samenstelling van het beton wezenlijk veranderen.

Bij metalen zal men vanwege de onbeweeglijkheid van de moleculen voorlopig niet verder komen dan reparatie van hele kleine beschadigingen. Dergelijke scheurtjes ontstaan veelal als gevolg van vermoeiing (een groot aantal belastingwisselingen, waarbij elke cyclus op zich te zwak is om schade aan te richten).

De oplossing is om in aluminium atomen op te lossen die niet in het aluminiumrooster willen zitten. Dit levert een drukspanning die de drijvende kracht vormt voor beweeglijkheid. Rond deze nano-scheurtjes bestaat een spanningsvrij gebiedje. Het alu-rooster ‘drukt’ de reparatie-atomen daar naar toe. Die zullen naar verwachting bestaan uit een combinatie van koper, magnesium en zilver. Ze vormen daar een verbinding met zichzelf en met andere atomen. Op die manier ontstaan weerhaakjes ove de scheur. Dit is een natuurlijk proces. Het fenomeen zelfreparatie heeft inmiddels het onderzoek van het Delft Centre for Materials (DCMat) beïnvloed. Dit instituut bundelt al het materiaalonderzoek van de TU Delft. Van der Zwaag: ‘Er was weinig interactie tussen de 22 onderzoeksgroepen van DCMat. Zelfreparatie is nu het verbindende thema waaraan ieder vanuit zijn eigen discipline werkt. We kunnen van elkaar leren: polymeerkundigen zijn beter in mobiliteit, metaalkundigen beter in rigiditeit’. Binnenkort zal ook het besluit vallen of er een Innovatiegericht Onderzoek Programma (IOP Zelfreparerende Materialen komt.

 

Toepassingen

Zelfreparatie zal het eerst worden geïntroduceerd in materiaaltoepassingen op plaatsen waar moeilijk bij is te komen en waar het materiaal lang intact moet blijven. Dat geldt bijvoorbeeld voor ondergrondse pijpleidingen, voor bladen van windturbines op zee, of sommige medische toepassingen. Het kan van pas komen bij container voor opslag van kernafval, met materialen die stralingsschade kunnen repareren.

Komende maand, in juli, wordt in Japan al een brug opgeleverd met zelfherstellend beton in het rij-oppervlak. Maar Van der Zwaag denkt dat het nog jaren zal duren voor er sprake is van toepassing van zelfherstellende materialen op enige schaal. ‘Het heeft zo’n twintig jaar geduurd voor de productie van Glare en aramide echt op gang kwam. Met zelfreparerende materialen kan het ook lang duren. Maar als ik over vijftien jaar met pensioen ga, moet het er zijn.’

 

 

***Kader***

De natuur als voorbeeld

Construeren en bouwen zoals de natuur dat doet. Het is een oude ingenieursdroom. Bomen, spinnenwebben, tanden en kiezen, om enkele voorbeelden te noemen, zijn immers wondertjes van vernuft. Natuurlijke materialen hebben eigenschappen zoals hernieuwbaarheid, totale herbruikbaarheid, of zelfreparatie. Een gebroken bot heelt zichzelf, de huid groeit na beschadiging weer dicht.

Leonardo da Vinci (1452 – 1519) had al ideeën over construeren zoals de natuur da doet. Anderen volgden. De inmiddels overleden ir. Rob Schliekelmann, voormalig hoofd van het Technologisch Centrum van Fokker, zei in 1984: ‘In de toekomst zullen we door mensenhanden gemaakte materialen zó kunnen laten groeien dat ze zichzelf versterken. Groeien is een elektrochemisch proces, dus waarom niet. Hang een gewicht aan een tak en voer dat gewicht langzaam op, dan zal die tak sterker en stijver worden. Daar moeten we met dode materialen ook naar toe. Stel je voor: een door toenemend verkeer steeds zwaarder belaste brug, die zijn eigen constructie elektrochemisch versterkt. Ik acht dat niet uitgesloten’ (Intermediair, 18/1/84).

De Duitse hoogleraar Werner Nachtigall, oprichter van de faculteit Technische Biologie en Bionica van de Universiteit Saarland, is ook een propagandist van natuurlijk construeren. In zijn boek ‘Vorbild Natur’ (Springer, 1997) stelt hij dat we d natuur niet klakkeloos moeten kopiëren, maar dat we kunnen leren van biologische processen en constructieprincipes.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW