Je leest:

Hard? Zacht? Dit nanomateriaal is beide

Hard? Zacht? Dit nanomateriaal is beide

Auteur: | 5 juni 2011

Het lijkt wel magie. Wetenschappers hebben een materiaal gemaakt waarvan je de stevigheid ten alle tijde kunt veranderen. Van zacht en buigzaam transformeert het binnen enkele seconden naar hard en stijf. En ook weer terug als het moet. Toekomstige zelfhelende materialen komen hiermee weer een stap dichterbij.

Het proces van het koken van een ei gaat één kant op. Is het ei eenmaal hardgekookt, kun je niet meer terug.

Heb jij je eitje het liefst hard- of zachtgekookt? Wat je ook wil, die keuze moet je maken vóórdat het ei de pan in gaat. Het koken van een ei is onomkeerbaar: een eenmaal hardgekookt ei kan niet meer terug naar ‘vloeibare toestand’.

Met hetzelfde hebben technici te maken die metalen of legeringen willen gebruiken. Vooraf moeten ze bepalen hoe sterk en buigzaam het materiaal moet zijn, want als een metaal of legering eenmaal is gemaakt, kun je het niet meer veranderen. Vaak kiest men daarom voor een compromis, dat zoveel mogelijk aan alle eisen tegemoet komt.

Dat compromis is niet meer nodig bij het materiaal dat Jörg Weissmüller (Technische Universiteit van Hamburg in Duitsland) en Hai-Jun Jin (Institute for Metal Research in Shenyang, China) hebben gemaakt. Hun materiaal kan namelijk hard én zacht zijn. Het kan van een stevige, stijve toestand met één druk op de knop transformeren naar een zachte en buigzame toestand. Ze rapporteren hun vondst deze week in het toonaangevende blad Science.

De structuur van het goud, waarbij de ‘nanogaatjes’ en ‘nanokanaaltjes’ gevuld worden met waterstofperchloraat.
Science / AAAS

Vernuftige wetenschap

De truc zit hem in de vernuftige samenstelling van het materiaal, een partnerschap van metaal en vloeistof. Uit een legering van zilver en goud wordt het zilver met behulp van corrosie verwijderd. Zo blijft een stuk goud over met een sponsachtige nanostructuur van talloze kleine gaatjes en kanaaltjes, met afmetingen van enkele nanometers. Deze open ruimtes worden vervolgens gevuld met de vloeistof waterstofperchloraat (HClO4).

Over het materiaal wordt een spanning aangelegd, waarbij waterstofperchloraat fungeert als een zogenaamde elektrolyt: het geleidt stroom door een gedeelte van zijn moleculen in ionen af te splitsen. Afgesplitste zuurstofionen hechten zich vervolgens aan het oppervlak van goudmoleculen. Dit is een relatief groot oppervlak, vanwege de vele kanaaltjes en gangetjes in het goud. Als de spanning genoeg wordt verhoogd, zijn zoveel zuurstofionen geadsorbeerd aan het goud, dat over het oppervlak door het hele materiaal een dun laagje goudoxide ontstaat.

Links een legering van zilver en goud. Rechts is het zilver via corrosie verwijderd en blijft goud over met nanostructuur van gaten en kanaaltjes.
Science / AAAS

Intelligente materialen

De sterkte en breekbaarheid van een vast materiaal wordt bepaald door de mate waarin atomen in het kristalrooster kunnen verschuiven. Het zuurstof vult als het ware de lege ruimtes tussen de goudatomen op, zodat ze minder makkelijk verschuiven en het materiaal als geheel steviger en stijver wordt. Dus het verhogen van de spanning maakt het materiaal harder.

Maar het omgekeerde is ook waar. Als de spanning wordt verlaagd, laten de zuurstofionen los en wordt het materiaal zachter en buigzamer. De onderzoekers zeggen dat het materiaal binnen enkele seconden reageert op het veranderen van de spanning. Zo kun je in zekere zin met één druk op de knop switchen tussen een hard en een zacht materiaal.

Een groot voordeel van zo’n materiaal is dat je het gedurende zijn levensduur kunt aanpassen. Als je het materiaal bijvoorbeeld wilt bewerken, maak je het even zacht. Ook kan schade beter worden voorkomen, of zelfs worden gerepareerd. Iets wat bijvoorbeeld van pas kan komen in lithium-ion batterijen, zegt materiaalwetenschapper Karl Sieradzki van de Amerikaanse Fulton School of Engineering in een begeleidend commentaar in Science. Elektroden die uit dit materiaal bestaan, verminderen de schade die normaal tijdens het leeglopen en opladen van de batterijen ontstaat en verlengen daarmee de levensduur.

Spannender is dat met deze vondst intelligente materialen een stuk dichterbij komen. In theorie zou het materiaal namelijk de spanning eigenhandig kunnen veranderen, en ook nog eens op specifieke plekken in het materiaal. Zonder dat er een mensenhand aan te pas komt. Van zulke zelfhelende smart materials hoeven we niet lang meer te dromen.

Bronnen:

  • H.J. Jin en J. Weissmüller, A Material with Electrically Tunable Strength and Flow Stress, Science (3 juni 2011) DOI:10.1126/science.1202190
  • K. Zieradski, Potential Solutions for Creating Responsive Materials, Science (3 juni)

Lees meer over nieuwe nanomaterialen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/nanomaterialen.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 juni 2011
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.