Op naar de zelfhelende brug

Een kleine beschadiging, zoals roest aan een auto of een windmolen op zee, kan grote gevolgen hebben. Vandaar dat experts van vier universiteiten op zoek gaan naar materialen die zichzelf helen....

Michael Persson

In de film Judgment Day (1991) is de verbeterde Terminator T1000 de eerste. De robot repareert volautomatisch de kogelgaten in zijn lichaam. Afgebladderde huid groeit onmiddellijk weer aan, en na zijn totale desintegratie raapt de robot zichzelf bij elkaar en ziet er weer uit als nieuw.

Dat was niet zomaar een leuke sciencefiction-film, het kan een heel nieuw paradigma in de materiaalkunde worden. Een paradigma-verandering waaraan ook Nederland vooraan wil meedoen.

Eind oktober werd in Delft het eerste Nederlandse symposium over self healing materialen gehouden, waarmee tevens de aftrap werd gegeven voor het Innovatiegerichte Onderzoeks Programma (IOP) op dit gebied. Het ministerie van Economische Zaken heeft voor de komende vier jaar tien miljoen euro beschikbaar gesteld, om het paradigma te gaan uitwerken.

'De filosofie is niet langer om schade aan het materiaal te vermijden', zegt prof. dr. ir. Sybrand van der Zwaag, hoogleraar geavanceerde materialen aan de TU Delft en man achter het nieuwe Delft Centre for Materials. 'De filosofie is schade te accepteren.'

De natuur is daar allang achter. Krassen in boomstammen groeien vanzelf dicht, hagedissenstaarten groeien weer aan, wonden in huid worden gevuld met bloedplaatjes die een korstje vormen.

De honderden materiaalwetenschappers, chemici en ingenieurs die aan de universiteiten van Groningen, Eindhoven, Twente en Delft het onderzoeksprogramma gaan uitvoeren, volgen dat voorbeeld. Of het nou om beton gaat of plastic, metaal of asfalt: steeds wordt gedacht aan een of ander 'bloedplaatje' in het materiaal dat een beginnend scheurtje hecht.

Neem beton. Er zijn eeuwenoude bouwwerken uit de Romeinse tijd die veel intacter zijn dan je op grond van hun leeftijd zou verwachten. Volgens de Delftse beton-onderzoeker prof. dr. ir. Klaas van Breugel komt dat mede doordat het gebruikte cement destijds nogal grof was, waardoor sommige korrels in eerste instantie niet met water reageerden. Wanneer er later scheuren in het beton komen en er water doorheen sijpelt, reageren die korrels alsnog en herstelt het materiaal zich enigszins.

Van Breugel wil terug naar die zelfherstellende imperfectie. Eén optie is om verpakte cementbolletjes in het beton mee te storten. Als die barsten, kunnen ze beginnende scheuren tegenhouden.

Om ook grotere scheuren te lijf te kunnen gaan, zoeken andere onderzoekers hun toevlucht bij de natuur. Zij willen bacteriën in het beton stoppen. Deze organismen produceren calciet, maar doen dat op willekeurige plekken, en niet alleen direct bij de scheurwand. Zo kunnen ze grotere gaten opvullen, is de hoop.

Metaal

Maar er is meer dan beton. Materiaalkundigen dr. Ian Bennett en ir. Thijs Nijdam staan bij een ontzagwekkende constructie van microscopen, spectrometers en ionenkanonnen, alle gericht op een punt in het midden: een zelfherstellend monstertje zo groot als een knoopbatterij. Hier wordt metaal van de toekomst bestudeerd.

Het gaat om slimme coatings, laagjes die het onderliggende materiaal beschermen tegen oxidatie of andere chemische aantasting. Krassen zijn normaal gesproken funest, omdat die de ingang vormen voor vocht en lucht, waardoor het materiaal onder de deklaag kan worden aangevreten - kijk naar de roestplekken op een oude auto. In een vliegtuigmotor is dat catastrofaal, zegt Nijdam.

Al decennia bevatten de legeringen van de turbineschoepen in zo'n motor een fractie aluminium. Dat oxideert als het met lucht in aanraking komt, en vormt zo vanzelf een beschermend laagje op het metaal. Ook krassen in die natuurlijke oxidelaag worden automatisch door het aluminium hersteld. Alleen: bij bepaalde hoeveelheden aluminium houdt het metaal het tien uur vol, en bij andere hoeveelheden wel duizend. De samenstelling van de legering - behalve aluminium ook nikkel en chroom - is nooit goed onderzocht.

Bennett en Nijdam doen het anders: zij kijken door hun microscopen wat er gebeurt, en proberen zo de ideale legering te maken.

Dr. ir. Marcel Sluiter groepeert zijn metaalelementen in schema's, zet cirkels en punten, probeert verbanden te leggen. Hij is op zoek naar metalen die een andere structuur krijgen als ze onder spanning komen te staan, zoals het geval is bij scheurtjes. Door die veranderde structuur zetten de metalen uit, en drukken ze de scheur dicht. Is het idee. 'Het wordt nog niet toegepast, metalen zijn moeilijk te manipuleren', zegt Sluiter. 'Je zit altijd met dat kristalrooster waarin de atomen tamelijk vastzitten.'

Plastics

Dit in tegenstelling tot plastics en andere polymeren. Dat zijn beweeglijke spaghetti-slierten, met dubbele bindingen die openen en sluiten, contacten die worden verbroken, armen die zich vastgrijpen aan een buursliert. Het is niet voor niets dat de eerste zelfhelende materialen polymeren zijn.

De bekendste is Surlyn van DuPont. Onderzoekers van de chemiereus schieten met .308-kaliber wapens op vierkante plaatjes van dit materiaal, om te zien of het de kogelgaten zelf kan repareren. De toevoeging van bepaalde geladen deeltjes veroorzaakt een aantrekkingskracht tussen polymeerslierten, die daardoor weer versmelten. Bij de juiste hoeveelheid ionen groeien de gaten dicht. Het spul wordt toegepast in golfballetjes, skischoenen en ijshockeyhelmen.

Toch is er nog veel te verbeteren, zegt polymeertechnoloog prof. dr. Steve Picken. De zelfhelende plastics krijgen vooral klappen te verwerken, geen statische belasting. Van iemand die erop gaat staan, bijvoorbeeld. '

Ze zoeken nog wel meer, de mensen van de zelfhelende materialen. Alleen weten ze nog niet precies wat. Een Terminator zit er in elk geval niet in - de zelfhelende eigenschappen gelden toch vooral voor kleine beschadigingen. En vooral voor plekken die lastig of duur te repareren zijn, zoals windmolens op zee.

Maar dan nog, zegt Van der Zwaag, moeten er ontelbare toepassingen zijn die hij nog niet kent. 'Wij doen de wetenschap, we schieten misschien tekort in de toepassingen.'

Daarom heeft hij scenariocommissies in het leven geroepen, en gaat hij ontwerpers uitnodigen om mooie dingen te bedenken. Wat doen we nu niet omdat we geen self healing materialen hebben.

Van der Zwaag heeft er een half miljoen euro voor uitgetrokken. 'Iedereen mag meedenken. Ik heb vergezichten nodig. Dan vullen wij de stippellijntjes daarnaartoe wel in.'

Meer over