Naar de content

'Kleurrijke polymeren redden levens'

Met een vleugje kleur maakt Andrea Pucci slimme materialen

Pixabay, feiern1 via CC0

Kleur heeft ontzettend veel handige toepassingen, vindt chemisch technoloog Andrea Pucci. De Italiaanse hoogleraar voegt kleur toe aan polymeren en maakt zo slimme materialen die je waarschuwen voor gevaar of zelfs energie opwekken.

31 oktober 2016
Pixabay, feiern1 via CC0

Alles om ons heen heeft een kleur, maar daar staan we meestal niet lang bij stil. Hoogleraar industriële chemie Andrea Pucci van de Universiteit van Pisa wel. En door deze fascinatie voor kleur ontwikkelt hij de een na de andere slimme sensor. Zijn werk leverde hem in oktober zelfs een Fellowship van de Royal Society of Chemistry op. NEMO Kennislink sprak Pucci tijdens een studentensymposium in Nederland.

Waarom werkt u met polymeren?
“Ik ben mijn studie begonnen als een gewone organisch chemicus, en knutselde op veel manieren moleculen in elkaar. Fantastisch werk, maar toch kriebelde het. Ik wilde de stoffen ook aanpassen en ze veranderen zodat ze andere eigenschappen kregen. Dan kom je al snel in de polymeerchemie terecht. Polymeren zijn flexibel en met kleine aanpassingen krijg je compleet verschillende materialen. In mijn onderzoek voeg ik kleur toe aan polymeren.”

Is dat niet super simpel?
“Ja, eigenlijk wel. Je koopt pigmenten en gooit ze samen met polymeerkorrels in een zogenoemde extruder. In dit apparaat zit een grote schroef die de korrels bij elkaar drukt, waardoor ze samensmelten. Het vloeibare mengsel dat uit de extruder komt, laat je afkoelen en dan heb je een stuk gekleurd polymeer. Toch kun je het jezelf ook wat moelijker maken. Want deze methode werkt wel goed, maar het mixen zorgt er niet voor dat het pigment en de polymeerstrengen echt aan elkaar binden. Als je dat voor elkaar wil krijgen pas je de polymeren chemisch aan, en maak je de pigmentmoleculen door middel van reacties aan de ketens vast. Dit kost meer tijd en geld, maar de polymeren die eruit komen zijn wel tot in hun wortels gekleurd. En dat zorgt voor intrigerende eigenschappen.”

Wat voor intrigerende eigenschappen?
“Ik maak slimme materialen die reageren op hun omgeving. Zo hebben we in ons lab een zogenoemd mechanochromisch materiaal gemaakt van een fenyleen-vinyleen verbinding. Dit polymeer verandert van kleur zodra je er kracht op uitoefent, dus als je hem uitrekt of erop duwt. Handig als je wil weten of er iemand aan je spullen heeft gezeten of heeft ingebroken.”

Klinkt handig, kan ik die stoffen al kopen?
“Helaas niet, maar ze komen eraan. In de tussentijd liggen thermochromische materialen al wel in de winkel. Deze polymeren krijgen een andere kleur als de temperatuur verandert. Ze zitten bijvoorbeeld in thermometers en in verf die verkleurt als je je hand erop legt. Wij werken ook aan deze materialen, want we willen ze nog gevoeliger maken. Om materialen te laten verkleuren moet je de interne structuur veranderen. Dat kan als je genoeg warmte toevoegt. De energie breekt de nette kristalstructuur en het licht reflecteert anders waardoor je een andere kleur ziet. Helaas zijn kleine veranderingen in temperatuur vaak niet genoeg om de verbindingen te breken, dus is het lastig om een gevoelig materiaal te maken.”

Bestaan er nog meer van dit soort slimme materialen?
“We doen ook nog onderzoek naar vapochromische polymeren, stoffen die een verbinding aangaan met specifieke gassen in de lucht. Zodra deze gassen in de lucht rondzweven en de moleculen aan elkaar binden, verandert het materiaal van kleur. Collega Timothy Swager van MIT (Verenigde Staten) heeft al een vapochromische sensor ontwikkelt die de douane op de luchthaven van Boston gebruikt om explosieven op te sporen. Misschien gaan ze het op termijn ook wel in het leger gebruiken.”

Een groep mensen staat in de wachtruimte van een luchthaven bij de tassencontrole.

Op vliegvelden gebruiken we binnenkort wellicht nog veel meer vapochromische sensoren.

Politikaner, via CC BY-ND 3.0

Dus u ontwikkelt vooral gekleurde sensoren?
“Daar richt ik me inderdaad op, maar we kijken ook naar de energiesector. We willen het liefst heel stabiele zonnecellen maken. Denk er maar eens over na: kleur is kleur, of de zon nou schijnt of niet. Het systeem dat we nu hebben ontwikkeld bestaat uit een stuk plastic waar we een fluorescent molecuul in hebben gestopt. Dit molecuul zendt constant licht van een bepaalde golflengte uit, maar het plastic passen we zo aan dat deze golven er niet uit ontsnappen. Aan de uiteinden van het stuk plastic plaatsen we zonnecellen. Zij absorberen de golven en worden dus constant aangedreven door de emissie van de fluorescente moleculen.”

Werkt dit systeem efficiënt?
“Helaas halen we nog geen efficiëntie boven de tien procent. Dat komt door de vele afbraaksystemen waardoor fluorescente moleculen hun energie kwijt raken. We moeten het systeem nog optimaliseren, maar ik voorzie een grote toekomst. Stel je voor dat we alle getinte ramen op de wereld vervangen door getinte plastics met dit systeem erin. Dat zou een hoop energie opwekken!”

Gaan uw polymeren uiteindelijk de wereld overnemen?
“Nou zo ver is het helaas nog niet. We werken bijvoorbeeld nog erg aan de responstijd van onze materialen. Je wilt dat de kleurverandering binnen een seconde plaatsvindt, anders komt de waarschuwing misschien wel te laat. Als we de vapochromische sensoren in het leger gaan gebruiken en ze geven niet op tijd aan dat er gifgas in de lucht hangt, kan dat het verschil betekenen tussen leven en dood. Ook wil je graag reversibele processen, dan kunnen we de materialen meerdere keren gebruiken. We zijn er dus nog niet, maar ik blijf eraan werken en dan komt het vanzelf goed.”

Waarom zien wij kleur?

Alles om ons heen heeft een kleur omdat de materialen de golven uit het zonlicht deels absorberen en deels reflecteren. Het zonlicht zendt een reeks golven naar de aarde, met golflengtes van 250 tot 2500 nanometer. De meeste van deze golven zien wij niet, alleen licht met golflengtes tussen de 400 en 750 nanometer is zichtbaar voor het menselijk oog. Zo weerkaatsen golven van 650 nanometer af op brandweerauto’s, wat wij interpreteren als een rode kleur. In polymeren wordt de kleur bepaald door welke golflengtes in het netwerk van moleculen gevangen blijven en welke ontsnappen. Om de kleur te veranderen moet je dus het netwerk veranderen.

Een spectrum van zichtbaar licht met de bijbehorende golflengtes.

ReactiesReageer