Je leest:

Nooit meer kapot

Nooit meer kapot

Auteur: | 27 mei 2010

Nooit meer krassen op je beeldscherm? Binnenkort is dat geen science fiction meer. Op de Technische Universiteit Delft hebben ze al metaal, beton, rubber, asfalt en zelfs autolakken gemaakt die zichzelf kunnen repareren.

Het is maandagochtend. Met een nog slaperig hoofd loop je richting auto. Ondertussen de krant lezend steek je je sleuteltje in de deur. Oh nee, toch niet. Een lelijke kras naast het slot bederft direct je toch al wankele humeur. Kan dat nou niet anders?

Vervelend, die krasjes!
Bram, Flickr

“Jazeker!” Vertelt Sybrand van der Zwaag, professor vernieuwende materialen aan de TUDelft enthousiast. Kennislink sprak hem in 2005 ook al over dit onderwerp, en sindsdien is er veel vooruitgang geboekt. “Over een paar jaar zijn zelf-helende materialen hartstikke normaal. In het lab hebben we al zelfhelend metaal, keramiek, beton, verf, asfalt en de autolak ligt al in de winkel.”

Als we nu een product ontwerpen, dan moet dat enige tijd meegaan. Koffiebekertjes een paar minuten, auto’s een tiental jaren en dijken mogen wel een paar honderd jaar meegaan. In die periode zal het schade oplopen door gebruik. Om dat op te vangen, maken we de meeste dingen sterker dan nodig. Vliegtuigen bijvoorbeeld, moeten meerdere keren hun eigen gewicht kunnen dragen voordat ze de lucht in mogen. Wat ze natuurlijk ook onnodig zwaar maakt.

Tijdens het vliegen staat er enorme druk op de vleugels kijk maar eens uit het raampje tijdens je vakantievlucht. Als het goed is zie je de vleugels dan zachtjes op en neer wiegen. Op dat soort punten kan metaalmoeheid optreden: dus moet elk stukje oppervlak van een vliegtuig met het oog inspecteerbaar zijn. Alle kijkgaatjes die daarvoor nodig zijn komen de structurele integriteit niet ten goede, waardoor het vliegtuig nóg sterker moet zijn.

Vliegtuig onder de zonnebank

Hopelijk komt daar binnenkort verandering in. Henk Schut, docent aan de TUDelft doet onderzoek naar zelf-helend aluminium, bij uitstek geschikt voor de luchtvaart. “Als je metaal buigt, schuif je als het ware de laagjes atomen over elkaar heen,” legt Schut uit. “Soms gaat dat niet helemaal goed en ontstaan er kleine gaatjes in het 3D rooster van metaalatomen. Die kleine onvolkomendheden kunnen op de duur uitgroeien tot scheurtjes. We spreken dan van metaalmoeheid.”

Door kleine beetjes koper aan het aluminium toe te voegen, kunnen die gaatjes zich weer herstellen. Koper legeringen werden al veel langer gebruikt, kleine clusters koper zorgen namelijk voor extra stevigheid in het aluminium. Anders was je vliegtuig net zo slap als de rol aluminiumfolie in de keukenla. Het vernieuwende zit ‘m in het productieproces. Door de legering in een bepaald patroon te laten stollen, op te warmen en weer af te laten koelen, blijven er losse koperatomen ’opgelost’ in het metaal.

De rode koperdeeltjes migreren onder invloed van hitte naar de gaatjes die door metaalmoeheid zijn ontstaan.
Sybrand van der Zwaag

“Als er dan een gaatje ontstaat, migreert dat koperatoom vanzelf naar de ‘oppervlakte’ van dat gat. Die atomen doen dat omdat het energetisch gunstiger is om in een gat te zitten dan tussen de aluminiumatomen. Vooral als je het metaal ietsjes verwarmd, tot bijvoorbeeld naar 60 graden, gaan de atomen aan de wandel en vullen de scheurtjes op. Af en toe een vluchtje naar Cairo dus, om het vliegtuig bij te laten komen!”

Schieten

Warmte speelt wel vaker een rol bij zelfhelende materialen. “Tja, de energie om een atoom te verplaatsen moet ergens vandaan komen.” vertelt van der Zwaag. "Maar je hoeft niet altijd actief te verhitten. Ik werk zelf bijvoorbeeld aan een zelfhelend plastic dat de energie van impact gebruikt. Zodra militair materiaal beschoten wordt ontvangt het een ongelooflijke hoeveelheid kinetische energie van de kogel. De kogel schiet wel door het spul heen, maar de energie wordt weer omgezet in warmte.

Binnen een seconde na impact door een kogel, hechten de randen van het gat zich weer aan elkaar.
Sybrand van de Zwaag

Daardoor wordt het plastic rond het gat een heel klein beetje vloeibaar en vormt het gemakkelijk nieuwe waterstofbruggen. Door die gigantische hoveelheid energie is het ook een van de allersnelst helende materialen. Na een seconde is er het gat helemaal dichtgevloeid." Handig voor benzinetanks van bijvoorbeeld gevechtshelikopters.

Flexibele wegen

Zelfhelende materialen zijn ook erg nuttig voor dingen die we niet te vaak kunnen of willen controleren, zoals dijken en wegen. Het ZOAB-asfalt bleek bijvoorbeeld niet zo bestand tegen vorst waardoor de wegen weken erna nog halfdicht waren voor reparaties. Ook hiervoor is de TUDelft bezig met een oplossing.

Deze bruine smurrie is de olie die vrijkomt uit een kapotte asfalt capsule. Door deze olie wordt het omringende bitumen tijdelijk zacht waardoor het weer aan de kiezels in het asfalt kan hechten.
Sybrand van de Zwaag

“De steentjes in ZOAB blijven aan elkaar geplakt door een klein laagje bitumen (een soort teer) ertussen,” vertelt Erik Schlangen, universitair docent op het gebied van zelfhelend asfalt en beton. “In het bitumen stoppen we capsules met een beetje olie erin. Als er dan een scheur in het asfalt komt, gaan de nanocapsules ook kapot en komt de olie vrij. Die lost het bitumen plaatselijk op, waardoor de kiezels weer muurvast komen te zitten.”

Het is nu net gelukt om capsules te maken die het hele proces van asfalt mengen, storten en walsen overleven. Maar of die capsules ook op tijd breken om hun zelfhelende effect te houden, moet nog blijken. Ondertussen begint er binnenkort in samenwerking met Rijkswaterstaat een proef met bijna zelfhelend asfalt. Dat heeft minuscule staalwoldraadjes in het bitumen, die met een inductieplaat verwarmd kunnen worden. Even alle kiezeltjes weer muurvast zetten, wordt dan een kwestie van één keer eroverheen rijden met een speciale auto.

Autolak

Ook de auto’s zelf worden niet vergeten, Akzo Nobel bracht een paar maanden geleden het eerste product op de markt: zelfherstellende autolak. Het gaat om een doorzichtig verflaagje dat uit twee polymeren bestaat, een polyol en isocyanaat. Na het aanbrengen vormen deze twee stofjes een fijnmazig netwerk van urethaan.

Hoeveel tussenverbindingen je maakt en hoe stevig die zijn, kunnen wetenschappers beïnvloeden door de aard van de stofjes aan te passen of net wat meer van het ene stofje of van het andere toe te voegen. Tussen de verbindingen ontstaan ook nog waterstofbruggen. Dat is op zich niets nieuws, maar door de twee stoffen in precies de juiste verhoudingen te mengen is de lak hard genoeg. Maar als de zon op de auto staat, stijgt de temperatuur en dat is net genoeg om de lak weer een beetje de eigenschappen van een vloeistof te geven.

Deze lak herstelt een krasje perfect, met alleen wat hulp van de zon.

“Kleine scheurtjes die de autolak dof maken, zoals wanneer je door de wasserette rijdt, worden dan weer netjes opgevuld door de omringende polymeren. Een paar uur zon is ruim voldoende,” legt Pieter Geurink, Manager op het lab bij Akzo Nobel Car Refinishes uit. “Vooralsnog is de waarde van de lak vooral cosmetisch. Hij beschermt je auto niet tegen roest, dat doet de rest van de lak eronder.” Of Akzo Nobel onderzoek doet naar nieuwe lakken die dat wel kunnen, wil hij niet zeggen. “Het zijn zeker interessante principes en het zou natuurlijk fantastisch zijn als we in de toekomst krassen tot op het metaal zouden kunnen herstellen.”

Meer over materialen op Kennislink

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/materialen/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 mei 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.