Onderwijs

Materiaal, genees jezelf!

De natuur bedacht het al miljarden jaren geleden, en nu wil ook de TU het gaan doen: materialen ontwerpen die hun eigen wonden genezen. Een fiets die zichzelf repareert zit er nog even niet in. Verdwijnende kogelgaten, aangroeiend wegdek en verf die zichzelf bijwerkt wél.

’s Nachts gebeurt er iets vreemds, daarbuiten op de snelweg. Als de laatste auto’s zijn verdwenen, likt het asfalt zijn wonden. Microscopische scheurtjes die overdag in het wegdek zijn ontstaan, trekken dicht; stukjes bitumen die uit elkaar zijn gereten, beginnen weer te hechten. Het asfalt ‘geneest’. Zomaar, vanzelf. En niemand die precies begrijpt waarom.

Dr. Tom Scarpas (structurele mechanica, faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen – CiTG) toont een A4’tje waarop de wonderbaarlijke zelfgenezing van het asfalt in een grafiek is ondergebracht. Belast een stukje proefasfalt in het laboratorium, en langzaam wordt het zwakker. Maar laat het met rust, en het lijntje klimt weer omhoog. Het zelfherstel is subtiel. Maar het is er wél. “We kennen dit effect nu al vijftig jaar, misschien langer”, vertelt Scarpas. “We weten dat het gebeurt. Maar dat is niet genoeg. Eigenlijk wil je dit reparatiemechanisme onder controle krijgen, en het versterken. Als we begrijpen waardoor deze merkwaardige eigenschap wordt veroorzaakt, kunnen we misschien asfaltsoorten ontwerpen die er beter in zijn.”

Een aantal kamers verderop in dezelfde gang probeert de onderzoeksgroep van prof.dr.ir. Klaas van Breugel (betonmodelleren en materiaalgedrag, Microlab, CiTG) greep te krijgen op een soortgelijk fenomeen. Want asfalt is niet het enige materiaal dat zichzelf geneest. Ook sommige betonsoorten zijn in staat kleine wondjes te helen. Vandaar dat sommige Romeinse en Oudhollandse bruggen de tand des tijds hebben doorstaan. Logischerwijs hadden ze allang moeten zijn verkruimeld.

Het zit eigenlijk simpel, vindt Van Breugel: “Vroeger gebruikte men vrij grof cement. Daarin zijn veel cementkorrels achtergebleven die nog niet hebben gereageerd met water. Men heeft het zich destijds niet zo gerealiseerd, maar als er scheurtjes ontstaan in het materiaal, kunnen die droge korrels alsnog in contact komen met water. De reactie gaat dan weer verder en het materiaal wordt hersteld.”

Ook Van Breugel wil het fenomeen niet langer alleen gadeslaan. “Je wilt deze potentie beter benutten. We willen het materiaal een handje helpen.” Daartoe bestudeert Van Breugel onder meer de mogelijkheid om droge, verpakte cementdeeltjes mee te storten in het beton. “Als er barsten zijn, breken die bolletjes open, en zorgen ze voor herstel.”
Kogelgaatjes

Het kan ook anders. Grootser, visionairder, vertelt prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag (geavanceerde materialen, Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek). “Wist je dat er op de schietbaan al doelwitkaartjes hangen die zichzelf herstellen? Je schiet erop, en even later is zo’n gat gewoon dicht. Die kaartjes zijn bedekt met materiaal dat zo veel elektrische lading heeft, dat kogelgaatjes dichttrekken.”

Van der Zwaag is voorzitter van het Delft Centre for Materials en drijvende kracht achter het Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma (IOP) zelf-herstellende materialen, waarmee Delft de komende jaren wereldwijd hoge ogen hoopt te gooien. Hoewel er al in diverse landen onderzoek wordt gedaan naar materialen die zichzelf repareren, is Nederland het eerste land dat het onderzoek in de breedte wil uitvoeren. Van asfalt tot plastic, van composieten tot coatings. Niet minder dan veertig miljoen euro hopen de deelnemende partijen de komende acht jaar in het onderzoek te steken. Honderden onderzoekers, verspreid over vijf faculteiten, doen mee.

“Het is: niet opgeven. Het is: realiseren dat het ook anders kan”, zegt Van der Zwaag. “Alle materiaalkundige concepten voor het verbeteren van materiaaleigenschappen zijn gebaseerd op het idee dat alle atomen op hun plek moeten blijven zitten. We halen de productieschade eruit en maken de weerstand tegen schade groter. Maar de natuur heeft een andere filosofie. Die zegt: schade hoort er gewoon bij. Die kun je niet voorkomen, maar wel opvangen. De natuur kiest voor schademanagement, in plaats van schadepreventie.”

Het is even wennen aan het toekomstbeeld dat Van der Zwaag voorstaat. Denk aan vliegtuigen die zichzelf ontdoen van haarscheurtjes. Kunststof ramen die dichtgroeien na een kogelinslag. Auto’s die genezen van krasjes. Verf die zichzelf bijwerkt. Gebouwen die hun eigen barstjes opvullen. Het klinkt fantastisch en krankzinnig tegelijk. Maar het is geen sciencefiction meer.
Kit

Het woord ‘zelfhelend’ zoemt al een jaar of vijftien rond door materialenland. Begin jaren negentig onthulden onderzoekers van de Universiteit van Illinois een vorm van genezend beton. Caroline Dry en collega’s goten met speciale kit gevulde holle vezels mee in de betonmix. Bij betonschade zouden die openbreken, en de vrijgekomen kit zou de breuk repareren.

Toch zou het nog tien jaar duren voordat Scott White, ook van de Universiteit van Illinois, de zelf-herstellende materialen definitief op de kaart zette. In het blad Nature onthulde White toen een zelfhelende kunststof, losjes gebaseerd op hetzelfde principe als Dry’s beton van tien jaar eerder. De genezende kunststof van White bevat een chemische katalysator en kleine, breekbare bolletjes gevuld met de stof dicyclopentadieen (DCPD). Beschadig de kunststof, en de bolletjes breken. Het DCPD reageert vervolgens met de katalysator, en het resultaat is een reparatieplekje dat nota bene nog sterker is dan het originele materiaal.

Dat smaakt naar meer, vonden veel onderzoekers. Princeton University kwam met een met kit gevulde, lichtgewicht metalen buis die zichzelf bij breuk zou helen. Het Instituut voor Exotische Materialen van de Universiteit van Californië bedacht een doorzichtige kunststof die breuken herstelt als je het materiaal verhit. De Amerikaanse marine en ruimtevaartorganisatie Nasa begonnen te experimenteren met polymeren die kogel- of inslaggaten vanzelf laten dichtsmelten, met dank aan de warmte van de inslag.
Regenwater

“Je hebt nu al self healing skibrillen op de markt. ’s Avonds leg je die op de verwarming, en kleine krasjes trekken dan weg”, aldus Van der Zwaag. “Ook bestaan er sinds het eind van de jaren negentig zinkcoatings op auto’s die zichzelf enigszins herstellen.” Een andere opmerkelijke toepassing is te zien in de Japanse provincie Hokkaido. Daar ging vorig jaar de Mihara-brug open, met een wegdek bedekt met het zelfherstellende beton ECC (Engineered Cementitious Composite). Het materiaal bevat vezeltjes die de scheuren klein houden. Onder invloed van regenwater kunnen de barstjes vervolgens dichtgroeien met calciet (CaCO3).

Aan de TU Delft doet de onderzoeksgroep van dr.ir. Wim Sloof (technische materiaalkunde, faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen . 3mE) al jaren onderzoek naar metaalcoatings die zichzelf genezen. Achteraf gezien mag Sloof zich best een pionier noemen: zijn onderzoek was al in volle gang voordat het woord ‘zelfherstellend’ mode werd. Sloofs coatings zijn bedoeld voor gebruik op de turbinebladen van vliegtuigen en energiecentrales: bladen die enorm heet worden, en zwaar worden belast. “Op zo’n coating zit een dun, beschermend toplaagje aluminiumoxide, maar door de temperatuurveranderingen springen daar stukjes vanaf. Je moet er dus voor zorgen dat die beschadigingen zo snel en zo goed mogelijk weer worden aangevuld vanuit de coating. Anders gaan de diepere lagen roesten, en krijg je een snellere aantasting van de coating.”

Sloof werkt aan het probleem door te sleutelen aan de samenstelling van de coating. “Wij kunnen geen bolletjes met lijm gebruiken, zoals Scott White. We stoppen er ook wel iets in, maar dan legeringselementen in een vaste oplossing. Dat aluminium zit bijvoorbeeld maar om één reden in de coating: om een toplaagje van aluminiumoxide te vormen.”
Ketchup

Toen de TU twee jaar geleden 22 onderzoeksgroepen aaneen klonk in het Delft Centre for Materials (DCMat), lag de keuze voor zelfhelende materialen eigenlijk voor de hand. “We moesten een nieuw, gemeenschappelijk, aansprekend thema hebben”, herinnert Van der Zwaag zich. “Op een bijeenkomst hebben we toen in een uurtje tijd met alle leerstoelen overeenstemming bereikt over zelfherstellende materialen. Een unicum dat het zo snel ging! Iedereen had zoiets van: goh, ja. Iedereen zag de wetenschappelijke uitdaging en de technologische en maatschappelijke relevantie.”

Asfaltonderzoeker Scarpas is het daarmee eens. “We zijn aangeland op het punt waarop de klassieke ingenieursproblemen die nog zijn blijven liggen, moeten worden aangepakt door diverse disciplines. Voor ons onderzoek naar asfalt willen we graag leren van de mensen uit de chemische en fysische hoek. We hebben nieuwe technieken nodig, nieuwe modellen.” Dat betekent wél extra huiswerk. Scarpas werpt een blik op een onprettig dik scheikundeboek dat hij op tafel heeft liggen. “Bindingen, ladingen, polar dispersed vloeistoffen”, somt hij op. “Chemo-elasticiteit, chemo-plasticiteit, chemo-dit, chemo-dat. Daar moeten we ons nu in verdiepen.”

Voor polymeerdeskundige prof.dr. Stephen Picken (polymeerkunde, faculteit Technische Natuurwetenschappen) speelt dat probleem uiteraard minder. Ook Picken studeert inmiddels op kunststoffen die zichzelf herstellen. Zónder lijmbolletjes, vertelt hij. “Scott White was de inspiratie. Maar het is niet mijn idee om hem te gaan nadoen.”

Pickens interesse gaat onder meer uit naar zogeheten thixotrope materialen . stoffen zoals ketchup en stand-yoghurt, die in rust stevig zijn, maar bij verstoring vloeibaarder worden. “Het zou een cruciale stap kunnen zijn als we dat soort eigenschappen ook aan een polymeer kunnen meegeven”, weet Picken. Een ander idee dat de polymeeronderzoeker heeft ingediend, is om onderzoek te doen naar kunststof met stroom geleidende deeltjes erin. “Raakt zo’n materiaal beschadigd, dan gaat ter plekke de elektrische weerstand omhoog. Je kunt dan detecteren of er schade is opgetreden, bijvoorbeeld nadat er een vogel tegen je vliegtuig is gevlogen. Misschien kun je de schade zelfs herstellen, door het materiaal te verwarmen met bijvoorbeeld stroom of microgolven. Een interessante uitdaging om te zien of het werkt”, meent Picken.
Vollopen

Toch is het niet alles zelfherstellend goud wat er blinkt. Er zijn ook grenzen. Zo moet een materiaal wél een zekere bewegingsvrijheid hebben om zichzelf te kunnen genezen. Iets in het materiaal zal toch in beweging moeten komen om de schade te overbruggen, dicht te smeren, te laten vollopen.

Metaalonderzoeker dr.ir. Jilt Sietsma (technische materiaalkunde, 3mE) kent dat probleem als geen ander. Terwijl zijn DCMat-collega’s zich warmlopen voor het Tijdperk der Zelfhelende Materialen, zit Sietsma met een onwillige klasse materialen, waar op kamertemperatuur geen beweging in is te krijgen. “Het zou kunnen dat self healing een onderzoekstak wordt waarin de metalen minder meedoen”, vermoedt hij. “In een metaal heb je nu eenmaal geen processen die echt zelfhelend zijn, in de zin dat je het materiaal terugbrengt naar de structuur waarin wij het voor gebruik gebracht hebben.” Niet dat Sietsma er erg mee zit: “Gelukkig is er in het metaalonderzoek nog genoeg te doen.”

Een andere beperking is de grootte van de beschadiging. Niet voor niets proberen onderzoekers als Van Breugel (beton) en Picken (polymeren) hun materialen te verstevigen met respectievelijk vezels en nanodeeltjes. De gaten en scheuren mogen vooral niet te groot worden. “Het is een probleem van timing”, constateert Van der Zwaag. “Het optreden van de schade en het herstel ervan hebben beide hun eigen tempo. Die moeten met elkaar in de pas lopen.”

Wat dat betreft zijn de foto’s waarmee de brochure van het IOP zelfherstellende materialen is opgefleurd misschien een beetje veel van het goede. We zien een kapot getrapte bril. Een geknakte fiets. Een gekreukelde auto, noemt u maar op. “Nee, nee, nee”, zegt Van der Zwaag. “Als de schade te groot is, houdt het op. Als je been eraf valt, heelt het ook niet meer vanzelf.” En hij voegt er aan toe: “Sommige dingen mogen gewoon stukgaan. Als ik dit kopje laat vallen, kan ik heus wel weer een nieuw kopen.” De materialen die zichzelf genezen, zijn vooral bedoeld voor plekken waar onderhoud moeilijk is, of duur. Zoals in de ruimtevaart, de luchtvaart, het onderhoud van ondergrondse leidingen, de opslag van radioactief afval of de bouw. “De wereld verandert”, zegt betononderzoeker Van Breugel. “Gebouwen moeten langer meegaan, duurzamer zijn en aan hogere beschikbaarheids- en veiligheidsnormen voldoen. Ja, dan kan het lonen als die gebouwen zichzelf in enige mate herstellen.”

Coatingdeskundige Sloof denkt intussen terug aan een aflevering van ‘Star Trek’, waarin een kapot stuk elektronica zichzelf weer in elkaar kluste. “Sciencefiction, natuurlijk. De werkelijkheid is dat je kleine, praktische stapjes zet, één voor één. Maar aan de andere kant: wil je op goede of originele ideeën komen, dan moet je wel durven fantaseren.”
Levend beton

Beton stuk? Geeft niets: daar wordt het reparatieteam al wakker. Dr.ir. Erik Schlangen (Microlab, CiTG) wil onderzoeken of beton zelfherstellend is te maken door er speciale, gesteentevormende bacteriën in mee te storten. Echt een klusje voor Bacillus pasteurii, een bacterie die onder meer al wordt ingezet om dijken te verstevigen. B. pasteurii eet namelijk lucht en water, en zet dat om in calciet. “In het beton zouden ze sporen moeten vormen (bacteriën in winterslaap . red.), die gaan leven zodra ze worden blootgesteld aan de buitenlucht”, zegt Schlangen. “Daarna zouden ze de scheuren moeten gaan dicht-eten.” Een prangend probleem is er wel. “Ze moeten hun verblijf in het beton natuurlijk wel overleven. Dat wordt nog een hele kunst.”
Licht brengt materiaal tot leven

Hoe zet je een materiaal aan tot genezing? Misschien wel door het te beschijnen met energierijk licht, denkt onder meer dr.ir. Wim Sloof. De materiaalonderzoeker denkt erover om het herstel van slijtende coatings te activeren met ultraviolet licht. “Daarmee versnel je het oxidatieproces aan het oppervlak van zo’n coating”, zegt Sloof. “Even onder het kopieerapparaat, en het is weer goed, bij wijze van spreken.”

Prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag ziet het ervan komen dat ook afbladderende verf op een dag wordt hersteld met licht. De schilder komt dan niet langs met een kwast, maar met een laserpistool. “De laser zou de hechting met de ondergrond herstellen. Dat is in principe al mogelijk, met ‘foto-crosslinken’. Je moet dan een verf bedenken met moleculen die worden geactiveerd door licht.”
Dode planten leven weer

Logisch dat ook de Botanische Tuin meedenkt over zelfherstellende materialen, de natuur is immers kampioen zelfherstel. “Als je het voorbeeld van de natuur volgt, vind je bijna altijd de beste, sterkste en meest duurzame oplossing”, is de filosofie van wetenschappelijk directeur drs. Bob Ursem.

Een van de ideeën die Ursem heeft ingediend is om een zelfherstellend plaatmateriaal te ontwikkelen van vezels en twee soorten latex die chemisch gezien cis-trans-isomeren zijn van elkaar: dezelfde chemische formule, maar gespiegeld opgebouwd. De ene latex vloeit, de andere hardt uit door oxidatie . terwijl de vezels voor stevigheid en structuur zorgen. Daardoor moet een soort meercomponentenkit ontstaan die kleine beschadigingen in het materiaal repareert.
Zelfherstel bij de buren

Duitsland – Heeft een groot academisch-industrieel conglomeraat dat onderzoek doet naar zelfherstellende coatings en verfsoorten.

Amerika – Richt zich met name op zelfhelende polymeren, sterk gericht op Nasa en Defensie. Enig onderzoek naar zelfhelend asfalt en beton.

Australië – Heeft sinds kort twintig onderzoekers aan het werk in een zogeheten Flagship programme voor onderzoek naar zelfhelende aluminiumlegeringen en polymeren

Japan – Doet enig onderzoek naar zelfhelend keramiek.
‘Zelfherstellende materialen’ in vogelvlucht

  • Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma’s (IOP’s) werden in 1980 door het ministerie van Economische Zaken in het leven geroepen om het contact tussen de academische wereld en de industrie te bevorderen.
  • Momenteel zijn er tien IOP’s, alle met een looptijd van acht jaar.
  • In de IOP ‘zelfherstellende materialen’ werkt de TU Delft onder meer samen met de TU Eindhoven, de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit Twente. IOP is echter in de kern een initiatief van het Delft Centre for Materials (DCMat).
  • Uiteraard is de industrie nadrukkelijk betrokken. De deelnemende onderzoeksgroepen willen nauw samenwerken met onder meer DSM, Corus, AkzoNobel, Teijin, Shell, Stork Fokker, Bam, Enci en ABT. Daarnaast zoekt men samenwerking met onder meer TNO, STW en de materiaalkundige topinstituten NIMR en DPI.
  • De initiatiefnemers van IOP hopen uiteindelijk minimaal veertig miljoen euro bij elkaar te krijgen, waarvan twintig miljoen van Economische Zaken en drie miljoen van de TU Delft.
  • De officiële aftrap van IOP wordt op 26 oktober gegeven met het eerste Nederlandse symposium Self Healing Materialen.

www.selfhealingmaterials.nl

’s Nachts gebeurt er iets vreemds, daarbuiten op de snelweg. Als de laatste auto’s zijn verdwenen, likt het asfalt zijn wonden. Microscopische scheurtjes die overdag in het wegdek zijn ontstaan, trekken dicht; stukjes bitumen die uit elkaar zijn gereten, beginnen weer te hechten. Het asfalt ‘geneest’. Zomaar, vanzelf. En niemand die precies begrijpt waarom.



Dr. Tom Scarpas (structurele mechanica, faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen – CiTG) toont een A4’tje waarop de wonderbaarlijke zelfgenezing van het asfalt in een grafiek is ondergebracht. Belast een stukje proefasfalt in het laboratorium, en langzaam wordt het zwakker. Maar laat het met rust, en het lijntje klimt weer omhoog. Het zelfherstel is subtiel. Maar het is er wél. “We kennen dit effect nu al vijftig jaar, misschien langer”, vertelt Scarpas. “We weten dat het gebeurt. Maar dat is niet genoeg. Eigenlijk wil je dit reparatiemechanisme onder controle krijgen, en het versterken. Als we begrijpen waardoor deze merkwaardige eigenschap wordt veroorzaakt, kunnen we misschien asfaltsoorten ontwerpen die er beter in zijn.”



Een aantal kamers verderop in dezelfde gang probeert de onderzoeksgroep van prof.dr.ir. Klaas van Breugel (betonmodelleren en materiaalgedrag, Microlab, CiTG) greep te krijgen op een soortgelijk fenomeen. Want asfalt is niet het enige materiaal dat zichzelf geneest. Ook sommige betonsoorten zijn in staat kleine wondjes te helen. Vandaar dat sommige Romeinse en Oudhollandse bruggen de tand des tijds hebben doorstaan. Logischerwijs hadden ze allang moeten zijn verkruimeld.



Het zit eigenlijk simpel, vindt Van Breugel: “Vroeger gebruikte men vrij grof cement. Daarin zijn veel cementkorrels achtergebleven die nog niet hebben gereageerd met water. Men heeft het zich destijds niet zo gerealiseerd, maar als er scheurtjes ontstaan in het materiaal, kunnen die droge korrels alsnog in contact komen met water. De reactie gaat dan weer verder en het materiaal wordt hersteld.”



Ook Van Breugel wil het fenomeen niet langer alleen gadeslaan. “Je wilt deze potentie beter benutten. We willen het materiaal een handje helpen.” Daartoe bestudeert Van Breugel onder meer de mogelijkheid om droge, verpakte cementdeeltjes mee te storten in het beton. “Als er barsten zijn, breken die bolletjes open, en zorgen ze voor herstel.”

Kogelgaatjes



Het kan ook anders. Grootser, visionairder, vertelt prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag (geavanceerde materialen, Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek). “Wist je dat er op de schietbaan al doelwitkaartjes hangen die zichzelf herstellen? Je schiet erop, en even later is zo’n gat gewoon dicht. Die kaartjes zijn bedekt met materiaal dat zo veel elektrische lading heeft, dat kogelgaatjes dichttrekken.”



Van der Zwaag is voorzitter van het Delft Centre for Materials en drijvende kracht achter het Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma (IOP) zelf-herstellende materialen, waarmee Delft de komende jaren wereldwijd hoge ogen hoopt te gooien. Hoewel er al in diverse landen onderzoek wordt gedaan naar materialen die zichzelf repareren, is Nederland het eerste land dat het onderzoek in de breedte wil uitvoeren. Van asfalt tot plastic, van composieten tot coatings. Niet minder dan veertig miljoen euro hopen de deelnemende partijen de komende acht jaar in het onderzoek te steken. Honderden onderzoekers, verspreid over vijf faculteiten, doen mee.



“Het is: niet opgeven. Het is: realiseren dat het ook anders kan”, zegt Van der Zwaag. “Alle materiaalkundige concepten voor het verbeteren van materiaaleigenschappen zijn gebaseerd op het idee dat alle atomen op hun plek moeten blijven zitten. We halen de productieschade eruit en maken de weerstand tegen schade groter. Maar de natuur heeft een andere filosofie. Die zegt: schade hoort er gewoon bij. Die kun je niet voorkomen, maar wel opvangen. De natuur kiest voor schademanagement, in plaats van schadepreventie.”



Het is even wennen aan het toekomstbeeld dat Van der Zwaag voorstaat. Denk aan vliegtuigen die zichzelf ontdoen van haarscheurtjes. Kunststof ramen die dichtgroeien na een kogelinslag. Auto’s die genezen van krasjes. Verf die zichzelf bijwerkt. Gebouwen die hun eigen barstjes opvullen. Het klinkt fantastisch en krankzinnig tegelijk. Maar het is geen sciencefiction meer.

Kit



Het woord ‘zelfhelend’ zoemt al een jaar of vijftien rond door materialenland. Begin jaren negentig onthulden onderzoekers van de Universiteit van Illinois een vorm van genezend beton. Caroline Dry en collega’s goten met speciale kit gevulde holle vezels mee in de betonmix. Bij betonschade zouden die openbreken, en de vrijgekomen kit zou de breuk repareren.



Toch zou het nog tien jaar duren voordat Scott White, ook van de Universiteit van Illinois, de zelf-herstellende materialen definitief op de kaart zette. In het blad Nature onthulde White toen een zelfhelende kunststof, losjes gebaseerd op hetzelfde principe als Dry’s beton van tien jaar eerder. De genezende kunststof van White bevat een chemische katalysator en kleine, breekbare bolletjes gevuld met de stof dicyclopentadieen (DCPD). Beschadig de kunststof, en de bolletjes breken. Het DCPD reageert vervolgens met de katalysator, en het resultaat is een reparatieplekje dat nota bene nog sterker is dan het originele materiaal.



Dat smaakt naar meer, vonden veel onderzoekers. Princeton University kwam met een met kit gevulde, lichtgewicht metalen buis die zichzelf bij breuk zou helen. Het Instituut voor Exotische Materialen van de Universiteit van Californië bedacht een doorzichtige kunststof die breuken herstelt als je het materiaal verhit. De Amerikaanse marine en ruimtevaartorganisatie Nasa begonnen te experimenteren met polymeren die kogel- of inslaggaten vanzelf laten dichtsmelten, met dank aan de warmte van de inslag.

Regenwater



“Je hebt nu al self healing skibrillen op de markt. ’s Avonds leg je die op de verwarming, en kleine krasjes trekken dan weg”, aldus Van der Zwaag. “Ook bestaan er sinds het eind van de jaren negentig zinkcoatings op auto’s die zichzelf enigszins herstellen.” Een andere opmerkelijke toepassing is te zien in de Japanse provincie Hokkaido. Daar ging vorig jaar de Mihara-brug open, met een wegdek bedekt met het zelfherstellende beton ECC (Engineered Cementitious Composite). Het materiaal bevat vezeltjes die de scheuren klein houden. Onder invloed van regenwater kunnen de barstjes vervolgens dichtgroeien met calciet (CaCO3).



Aan de TU Delft doet de onderzoeksgroep van dr.ir. Wim Sloof (technische materiaalkunde, faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen . 3mE) al jaren onderzoek naar metaalcoatings die zichzelf genezen. Achteraf gezien mag Sloof zich best een pionier noemen: zijn onderzoek was al in volle gang voordat het woord ‘zelfherstellend’ mode werd. Sloofs coatings zijn bedoeld voor gebruik op de turbinebladen van vliegtuigen en energiecentrales: bladen die enorm heet worden, en zwaar worden belast. “Op zo’n coating zit een dun, beschermend toplaagje aluminiumoxide, maar door de temperatuurveranderingen springen daar stukjes vanaf. Je moet er dus voor zorgen dat die beschadigingen zo snel en zo goed mogelijk weer worden aangevuld vanuit de coating. Anders gaan de diepere lagen roesten, en krijg je een snellere aantasting van de coating.”



Sloof werkt aan het probleem door te sleutelen aan de samenstelling van de coating. “Wij kunnen geen bolletjes met lijm gebruiken, zoals Scott White. We stoppen er ook wel iets in, maar dan legeringselementen in een vaste oplossing. Dat aluminium zit bijvoorbeeld maar om één reden in de coating: om een toplaagje van aluminiumoxide te vormen.”

Ketchup



Toen de TU twee jaar geleden 22 onderzoeksgroepen aaneen klonk in het Delft Centre for Materials (DCMat), lag de keuze voor zelfhelende materialen eigenlijk voor de hand. “We moesten een nieuw, gemeenschappelijk, aansprekend thema hebben”, herinnert Van der Zwaag zich. “Op een bijeenkomst hebben we toen in een uurtje tijd met alle leerstoelen overeenstemming bereikt over zelfherstellende materialen. Een unicum dat het zo snel ging! Iedereen had zoiets van: goh, ja. Iedereen zag de wetenschappelijke uitdaging en de technologische en maatschappelijke relevantie.”



Asfaltonderzoeker Scarpas is het daarmee eens. “We zijn aangeland op het punt waarop de klassieke ingenieursproblemen die nog zijn blijven liggen, moeten worden aangepakt door diverse disciplines. Voor ons onderzoek naar asfalt willen we graag leren van de mensen uit de chemische en fysische hoek. We hebben nieuwe technieken nodig, nieuwe modellen.” Dat betekent wél extra huiswerk. Scarpas werpt een blik op een onprettig dik scheikundeboek dat hij op tafel heeft liggen. “Bindingen, ladingen, polar dispersed vloeistoffen”, somt hij op. “Chemo-elasticiteit, chemo-plasticiteit, chemo-dit, chemo-dat. Daar moeten we ons nu in verdiepen.”



Voor polymeerdeskundige prof.dr. Stephen Picken (polymeerkunde, faculteit Technische Natuurwetenschappen) speelt dat probleem uiteraard minder. Ook Picken studeert inmiddels op kunststoffen die zichzelf herstellen. Zónder lijmbolletjes, vertelt hij. “Scott White was de inspiratie. Maar het is niet mijn idee om hem te gaan nadoen.”



Pickens interesse gaat onder meer uit naar zogeheten thixotrope materialen . stoffen zoals ketchup en stand-yoghurt, die in rust stevig zijn, maar bij verstoring vloeibaarder worden. “Het zou een cruciale stap kunnen zijn als we dat soort eigenschappen ook aan een polymeer kunnen meegeven”, weet Picken. Een ander idee dat de polymeeronderzoeker heeft ingediend, is om onderzoek te doen naar kunststof met stroom geleidende deeltjes erin. “Raakt zo’n materiaal beschadigd, dan gaat ter plekke de elektrische weerstand omhoog. Je kunt dan detecteren of er schade is opgetreden, bijvoorbeeld nadat er een vogel tegen je vliegtuig is gevlogen. Misschien kun je de schade zelfs herstellen, door het materiaal te verwarmen met bijvoorbeeld stroom of microgolven. Een interessante uitdaging om te zien of het werkt”, meent Picken.

Vollopen



Toch is het niet alles zelfherstellend goud wat er blinkt. Er zijn ook grenzen. Zo moet een materiaal wél een zekere bewegingsvrijheid hebben om zichzelf te kunnen genezen. Iets in het materiaal zal toch in beweging moeten komen om de schade te overbruggen, dicht te smeren, te laten vollopen.



Metaalonderzoeker dr.ir. Jilt Sietsma (technische materiaalkunde, 3mE) kent dat probleem als geen ander. Terwijl zijn DCMat-collega’s zich warmlopen voor het Tijdperk der Zelfhelende Materialen, zit Sietsma met een onwillige klasse materialen, waar op kamertemperatuur geen beweging in is te krijgen. “Het zou kunnen dat self healing een onderzoekstak wordt waarin de metalen minder meedoen”, vermoedt hij. “In een metaal heb je nu eenmaal geen processen die echt zelfhelend zijn, in de zin dat je het materiaal terugbrengt naar de structuur waarin wij het voor gebruik gebracht hebben.” Niet dat Sietsma er erg mee zit: “Gelukkig is er in het metaalonderzoek nog genoeg te doen.”



Een andere beperking is de grootte van de beschadiging. Niet voor niets proberen onderzoekers als Van Breugel (beton) en Picken (polymeren) hun materialen te verstevigen met respectievelijk vezels en nanodeeltjes. De gaten en scheuren mogen vooral niet te groot worden. “Het is een probleem van timing”, constateert Van der Zwaag. “Het optreden van de schade en het herstel ervan hebben beide hun eigen tempo. Die moeten met elkaar in de pas lopen.”



Wat dat betreft zijn de foto’s waarmee de brochure van het IOP zelfherstellende materialen is opgefleurd misschien een beetje veel van het goede. We zien een kapot getrapte bril. Een geknakte fiets. Een gekreukelde auto, noemt u maar op. “Nee, nee, nee”, zegt Van der Zwaag. “Als de schade te groot is, houdt het op. Als je been eraf valt, heelt het ook niet meer vanzelf.” En hij voegt er aan toe: “Sommige dingen mogen gewoon stukgaan. Als ik dit kopje laat vallen, kan ik heus wel weer een nieuw kopen.” De materialen die zichzelf genezen, zijn vooral bedoeld voor plekken waar onderhoud moeilijk is, of duur. Zoals in de ruimtevaart, de luchtvaart, het onderhoud van ondergrondse leidingen, de opslag van radioactief afval of de bouw. “De wereld verandert”, zegt betononderzoeker Van Breugel. “Gebouwen moeten langer meegaan, duurzamer zijn en aan hogere beschikbaarheids- en veiligheidsnormen voldoen. Ja, dan kan het lonen als die gebouwen zichzelf in enige mate herstellen.”



Coatingdeskundige Sloof denkt intussen terug aan een aflevering van ‘Star Trek’, waarin een kapot stuk elektronica zichzelf weer in elkaar kluste. “Sciencefiction, natuurlijk. De werkelijkheid is dat je kleine, praktische stapjes zet, één voor één. Maar aan de andere kant: wil je op goede of originele ideeën komen, dan moet je wel durven fantaseren.”

Levend beton



Beton stuk? Geeft niets: daar wordt het reparatieteam al wakker. Dr.ir. Erik Schlangen (Microlab, CiTG) wil onderzoeken of beton zelfherstellend is te maken door er speciale, gesteentevormende bacteriën in mee te storten. Echt een klusje voor Bacillus pasteurii, een bacterie die onder meer al wordt ingezet om dijken te verstevigen. B. pasteurii eet namelijk lucht en water, en zet dat om in calciet. “In het beton zouden ze sporen moeten vormen (bacteriën in winterslaap . red.), die gaan leven zodra ze worden blootgesteld aan de buitenlucht”, zegt Schlangen. “Daarna zouden ze de scheuren moeten gaan dicht-eten.” Een prangend probleem is er wel. “Ze moeten hun verblijf in het beton natuurlijk wel overleven. Dat wordt nog een hele kunst.”

Licht brengt materiaal tot leven



Hoe zet je een materiaal aan tot genezing? Misschien wel door het te beschijnen met energierijk licht, denkt onder meer dr.ir. Wim Sloof. De materiaalonderzoeker denkt erover om het herstel van slijtende coatings te activeren met ultraviolet licht. “Daarmee versnel je het oxidatieproces aan het oppervlak van zo’n coating”, zegt Sloof. “Even onder het kopieerapparaat, en het is weer goed, bij wijze van spreken.”



Prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag ziet het ervan komen dat ook afbladderende verf op een dag wordt hersteld met licht. De schilder komt dan niet langs met een kwast, maar met een laserpistool. “De laser zou de hechting met de ondergrond herstellen. Dat is in principe al mogelijk, met ‘foto-crosslinken’. Je moet dan een verf bedenken met moleculen die worden geactiveerd door licht.”

Dode planten leven weer



Logisch dat ook de Botanische Tuin meedenkt over zelfherstellende materialen, de natuur is immers kampioen zelfherstel. “Als je het voorbeeld van de natuur volgt, vind je bijna altijd de beste, sterkste en meest duurzame oplossing”, is de filosofie van wetenschappelijk directeur drs. Bob Ursem.



Een van de ideeën die Ursem heeft ingediend is om een zelfherstellend plaatmateriaal te ontwikkelen van vezels en twee soorten latex die chemisch gezien cis-trans-isomeren zijn van elkaar: dezelfde chemische formule, maar gespiegeld opgebouwd. De ene latex vloeit, de andere hardt uit door oxidatie . terwijl de vezels voor stevigheid en structuur zorgen. Daardoor moet een soort meercomponentenkit ontstaan die kleine beschadigingen in het materiaal repareert.

Zelfherstel bij de buren



Duitsland – Heeft een groot academisch-industrieel conglomeraat dat onderzoek doet naar zelfherstellende coatings en verfsoorten.



Amerika – Richt zich met name op zelfhelende polymeren, sterk gericht op Nasa en Defensie. Enig onderzoek naar zelfhelend asfalt en beton.



Australië – Heeft sinds kort twintig onderzoekers aan het werk in een zogeheten Flagship programme voor onderzoek naar zelfhelende aluminiumlegeringen en polymeren



Japan – Doet enig onderzoek naar zelfhelend keramiek.

‘Zelfherstellende materialen’ in vogelvlucht


  • Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma’s (IOP’s) werden in 1980 door het ministerie van Economische Zaken in het leven geroepen om het contact tussen de academische wereld en de industrie te bevorderen.
  • Momenteel zijn er tien IOP’s, alle met een looptijd van acht jaar.
  • In de IOP ‘zelfherstellende materialen’ werkt de TU Delft onder meer samen met de TU Eindhoven, de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit Twente. IOP is echter in de kern een initiatief van het Delft Centre for Materials (DCMat).
  • Uiteraard is de industrie nadrukkelijk betrokken. De deelnemende onderzoeksgroepen willen nauw samenwerken met onder meer DSM, Corus, AkzoNobel, Teijin, Shell, Stork Fokker, Bam, Enci en ABT. Daarnaast zoekt men samenwerking met onder meer TNO, STW en de materiaalkundige topinstituten NIMR en DPI.
  • De initiatiefnemers van IOP hopen uiteindelijk minimaal veertig miljoen euro bij elkaar te krijgen, waarvan twintig miljoen van Economische Zaken en drie miljoen van de TU Delft.
  • De officiële aftrap van IOP wordt op 26 oktober gegeven met het eerste Nederlandse symposium Self Healing Materialen.


www.selfhealingmaterials.nl

Redacteur Redactie

Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.