"We willen, net als in de natuur, materialen cre?ren die vanzelf kunnen herstellen." 9Zelfherstellende materialen Visie Sybrand van der Zwaag Sybrand van der Zwaag is altijd al met materialen bezig geweest. Tijdens zijn pro- motie op het gebied van keramiek, daarna volgden amorfe metalen, aramide en andere high tech garens en weer later waren het de moderne staal- en aluminium- varianten. Sinds 2003 werkt hij aan de TU delft als hoogleraar metaalkunde binnen de faculteit luchtvaart- en ruimtevaarttechniek. In 2002 werd Van der Zwaag ge- vraagd als wetenschappelijk directeur van het toen op te richten Delft Centre for Materials (DCMat), waar 22 leerstoelen gingen samenwerken (zie kadertekst). Van der Zwaag:"De TU Delft onderging op dat moment een grote reorganisatie. Het col- lege had besloten om de veertien belangrijkste onderzoeksgebieden van de TU een eigen structuur te geven en ze daarmee zichtbaarder te maken. E?n van deze veer- tien speerpunten was de materiaalkunde." "Het volgende wat er moest gebeuren was het bedenken van een onderwerp voor het centrale en verbindende onderzoeksprogramma voor DCMat. In de kroeg kwam ik met mijn staf op het idee voor zelfherstellende materialen, een nieuw en uitda- gend thema waar in Nederland nog niemand aan werkte. Ik heb het voorgesteld aan de collega hoogleraren en binnen ??n uur waren twee?ntwintig hoogleraren het met elkaar eens dat dit ons nieuwe thema mocht zijn. Volgens mij is dit een wereld- record," voegt hij hier met een lach aan toe. Vervolgens dient het team een IOP (Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma) voorstel in, want met de drie miljoen die de TU Delft sponsorde doe je niet zo heel veel. Bij de IOP commissie zag men dat het onderwerp niet alleen origineel en in- novatief was, maar ook dat het breed werd gesteund vanuit de industrie. Ze steu- nen het programma daarom met tien miljoen euro voor vier jaar. Self Healing Voor Van der Zwaag uitlegt wat Self Healing precies inhoudt, licht hij toe hoe tot op heden materialen worden ontwikkeld. "Het uitgangsprincipe is altijd dat schade aan het materiaal zoveel mogelijk moet worden voorkomen. Schade die eenmaal is gevormd, blijft zonder herstelmechanisme namelijk altijd aanwezig. Als je binnen dit kader dus een beter materiaal wil maken, kun je er dus alleen voor zorgen dat Visie Sybrand van der Zwaag Zelfherstellende materialen Joost BruystersKogelgaten in brandstoftanks die vanzelf dichtgaan, krassen in verf die automatisch verdwijnen, kunststoffen die het eeuwige leven hebben en beton met daarin bacteri?n die scheuren kunnen dichten. Toekomstmuziek? Absoluut niet! Zo weet prof. dr. ir. Sybrand van der Zwaag. Hij leidt het onderzoek naar zelfherstellende materialen aan de TU Delft en elders in Nederland. Er blijkt al veel mogelijk en er komen steeds meer toepassingen. Delft Centre for Materials In 2004 is op initiatief van het College van Bestuur van de Technische Universiteit Delft het Delft Centre for Materials (DCMat) opgericht met Van der Zwaag als wetenschappelijk directeur. Bij DCMat gingen 22 groepen (verspreid over vijf faculteiten) die zich bezighielden met materiaalkunde samenwerken. Van der Zwaag: "Het eerste dat we gedaan hebben is inventariseren wat er op het gebied van materialen eigenlijk allemaal gebeurde binnen de verschillende faculteiten. Dit heeft geleid tot een boek waarin alle colleges op het gebied van de materiaal- kunde in Delft beschreven staan. Het bleken er verrassend veel te zijn: 142 stuks. De verschafte duidelijkheid is voor studenten nuttig, omdat bijvoorbeeld ook een bouwkunde student baat kan hebben bij vakken van andere faculteiten." "Het tweede thema dat we aangepakt hebben was de hardware. Universiteiten hebben namelijk vaak heel mooie apparatuur, maar deze staat vaak erg verspreid en niemand weet precies wie wat heeft. Daarom hebben we een website in het leven geroepen waar je al onze belangrijke `speelgoedjes' kunt terugvinden. Ook de buitenwacht kan deze apparaten gebruiken. De site begint zo populair te worden dat de universiteit overweegt er al haar hardware op te zetten." "Het derde ding dat we hebben gedaan is het Young Wild Idea Pro- gram oprichten. Afstudeerders kunnen een idee op het gebied van materialen bij ons inleveren en krijgen tot 10.000 euro om dit verder uit te werken. Het blijkt verrassend leuke resultaten te leveren. Het programma loopt vanaf 2003 en we hebben er inmiddels zes paten- ten, vier promotieprojecten en een Science-publicatie mee gereali- seerd. Jaarlijks kennen we vier tot zes prijzen toe." Kijk voor meer informatie over de infrastructuur van DCMat en het Young Wild Idea Program op: www.dcmat.tudelft.nl. 10 Visie Sybrand van der ZwaagZelfherstellende materialen de beginschade kleiner is of dat de schade langzamer of later groeit. Daarom wor- den materialen steeds sterker en duurzamer." "Stel dat we als materiaalkundigen de huid voor het menselijk lichaam zouden moeten ontwerpen; we zouden waarschijnlijk een zo sterk mogelijk folie maken. De folies die we tegenwoordig kunnen maken hebben op allerlei vlakken veel betere eigenschappen dan de huid. Als je het zo bekijkt is huid dus eigenlijk een inferieur product, maar toch gaat een plastic zak geen zestig jaar mee en haalt de huid dat makkelijk. De reden? Huid kan zichzelf herstellen. Wat we dus willen doen is, net als in de natuur, materialen cre?ren die als ze beschadigd worden de schade weer kunnen herstellen." Voorwaarden "Zelfherstellende materialen moeten aan drie voorwaarden voldoen. De eerste is dat het materiaal nog steeds de geplande mechanische functie moet vervullen. Een materiaal dat stijfheid moet verschaffen moet nog steeds voldoende stijf zijn en verf moet er nog steeds gewoon uitzien als verf." "De tweede voorwaarde is dat in het materiaal moleculen of atomen moeten zijn ingebouwd die schaderegulatie mogelijk maken. Het duurde even voor we dit zelf echt snapten, maar het betekent dat je moleculen of structuren moet hebben die op de een of andere manier kunnen bewegen. Je huid repareert zich ook alleen maar omdat er nieuwe bouwstoffen aangeleverd worden via je bloed. Je moet daarom een vloeistof of een andere vorm van transport in een vast materiaal inbouwen. Als we eerder materialen ontwierpen, zaten alle moleculen en atomen altijd vast op een eigen plek. Nu moet je mobiele atomen of moleculen in een verder star sys- teem inbouwen." "Een derde eigenschap die een zelfherstellend materiaal moet hebben is dat het materiaal een schadesignaal af kan geven. De mobiele atomen of moleculen moe- ten namelijk ook weten wanneer er schade ontstaat en welke kant ze op moeten bewegen om deze te repareren. Dit schadesignaal kan van alles zijn, bijvoorbeeld een druk- of spanningsverschil, maar je kan ook denken aan een vorm van zenu- wen. Zo zijn we bijvoorbeeld bezig met een systeem waar metaaldraden in een kunststof worden verwerkt. Als er schade ontstaat breken deze draden en gaan er elektrische stromen lopen die het herstelproces in gang zetten." Hersteltijd Het eerste bewust gecre?erde zelfherstellende materiaal is gemaakt aan de univer- siteit van Illinois door een groep onder leiding van Scott White. In het door hem ontworpen polymeersysteem, dat een ontwikkeltijd van zes jaar kende, zijn kleine keramische bolletjes verwerkt waarin een dun-vloeibare lijm zit. Bij beschadiging van het materiaal breken ook de keramische bolletjes en komt de lijm vrij. In het polymeer is verder een katalysator verwerkt die ervoor zorgt dat de lijm uithardt. Hierdoor herstelt de scheur. "Als je nadat het materiaal doorgescheurd is wacht, zo'n 48 uur in dit geval, dan zie je dat het materiaal bijna zijn oorspronkelijke sterkte terugkrijgt. Het is wel van belang dat het materiaal voldoende tijd krijgt om te herstellen. Zelfherstellend ma- teriaal gebruiken voor een gasfles die altijd onder druk staat is daarom niet zo nuttig. Zelfherstellende materialen zijn interessanter bij toepassingen waar kleine schade ontstaat, bijvoorbeeld door vermoeiing." "Wat de hersteltijd is, hangt sterk af van het materiaal. Bij sommige materialen duurt het weken voor ze hersteld zijn; bij andere is dat veel korter." De hoogleraar laat een klein transparant plastic plaatje zien. "In dit geval treed de healing razend- snel op. Je kunt door dit plaatje een twaalf millimeter kogel schieten en tien milli- seconden nadat de kogel erdoorheen is, is het gat alweer gesloten. Niet zo'n ge- schikt materiaal voor kogelvrije vesten dus, maar wel bijvoorbeeld voor brandstof- tanks van vliegtuigen." Materiaalklassen Binnen DCMat en het IOP Self Healing Materials wordt onderzoek gedaan naar Self Healing bij vier materiaalklassen. Niet alleen naar de eerder genoemde polymeren, maar ook naar metalen, beton en composieten. Van der Zwaag: "Op het gebied van composieten is een collega van mij in Bristol bezig met zelfherstellende koolstof composieten voor de vliegtuigindustrie. In deze composieten heeft hij holle glasve- zels gezet die met lijm gevuld zijn. Deze lange holle draden kunnen veel meer vloei- stof aanvoeren dan de eerder genoemde keramische bolletjes. Maar toch denk ik dat dit meer een oefening is om zelfherstellend materiaal te maken en niet dat het uitein- delijk de beste strategie is voor mooie en betrouwbare zelfherstellende composie- ten." De tien miljoen van het programma wordt niet evenredig verdeeld over de verschil- lende materiaalklassen, omdat van sommige gebieden simpelweg meer wordt ver- wacht. Veertig procent van het budget wordt daarom besteed aan polymeren, twintig procent aan metalen, vijfentwintig procent aan beton en vijftien procent aan compo- sieten. Van der Zwaag:"Aan de polymerenkant zie ik met name nog een hoop gebeu- ren. Er zijn bijvoorbeeld allerlei toepassingen voor verf te bedenken, want je hebt hier twee gunstige voorwaarden voor zelfherstellende materialen. Ten eerste wordt verf altijd voor een groot oppervlak gebruikt, waardoor de kans op schade groot is. Het Zelfherstellende materialen 11 Visie Sybrand van der Zwaag tweede is dat een verflaag heel dun is. Zoals we gezien hebben, heb je voor healing beweging nodig en beweging door een dunne laag is nou eenmaal een stuk eenvou- diger. Momenteel voeren we een project uit waarbij we verf verrijken met klei. Klei zet uit als het vocht opneemt. Als er dus een kras in de verf komt, komt de klei in aanraking met (vochtige) lucht en zet uit. Hierdoor sluit de scheur zich." "Bij metalen is zelfherstel iets moeilijker, maar ik denk wel dat we zelfherstellende aluminiumlegeringen kunnen maken. Vliegtuigen worden nu ontworpen in de weten- schap dat er altijd scheuren ontstaan. Ze worden zo ontworpen dat de scheurvorming zoveel mogelijk geremd wordt en alles te inspecteren valt. Zelfherstellend aluminium zou een enorme doorbraak kunnen betekenen. Ondertussen hebben we de eerste testlegeringen gemaakt waarbij,na een speciale getrapte warmtebehandeling,spon- tane reparatie van de belastingsschade optreedt. In deze legeringen zijn metaalato- men in een zogenaamd oververzadigde toestand aanwezig. Eigenlijk is er voor deze atomen dus geen plaats. Als er nu schade optreedt, ontstaat er ruimte en zullen deze atomen een andere plek innemen en daarmee het materiaal herstellen." Zelfherstellend beton "Maar, voor de bouwwereld zijn de mogelijkheden van zelfherstellend beton waar- schijnlijk het meest interessant. In dit beton zit kalk dat met waterdamp en CO2 uit de lucht kan reageren tot calciumcarbonaat. Als er een scheur in het beton ontstaat, komt de kalk in het beton in aanraking met de lucht. Hier ontstaat nu calciumcar- bonaat dat neerslaat in de scheur en deze dicht. Dit verstevigt niet alleen het beton, maar zorgt er ook voor dat er geen water tot de wapening kan doordringen. Dit mechanisme werkt echter alleen maar als de scheuren in het beton niet te groot zijn. Daarom zijn aan het beton polyvinyl-alcoholvezels toegevoegd, wat leidt tot een heel fijn scheurpatroon." Het mechanisme voor zelfherstellend beton is dan wel recent bedacht; toch is het volgens Van der Zwaag eigenlijk niet zo nieuw. "Het Romeinse cement is ook op dit principe gebaseerd. De reden dat er nog steeds allerlei Romeinse gebouwen staan, is niet dat het gebruikte materiaal zo sterk was; want dat is het namelijk niet. De echte, maar bij velen onbekende, reden is dat het materiaal zelfherstellend is. De antieke gebouwen zijn dan wel kromgetrokken en uitgezakt, maar ze zijn niet ka- pot." Het nieuwe zelfherstellende beton is in 2004 gebruikt voor een brugdek in Japan. Omdat het geen vocht doorlaat en de wapening dus beter beschermd is, kon het brugdek veel dunner worden gemaakt. Hierdoor kon ook de rest van de constructie lichter en daarmee goedkoper worden uitgevoerd. Ook al is dit materiaal zelf abso- luut niet goedkoop, toepassing is toch interessant omdat de aanleg- en onder- houdskosten aanzienlijk kunnen afnemen. Het zelfherstellende beton is ook gebruikt voor de centrale kolom van een in Japan gebouwde torenflat van 41 verdiepingen hoog. Nadat er een aardbeving is geweest, wordt de kolom met een soort sprinklerinstallatie bevochtigd. Hierdoor trekken de ontstane scheurtjes vanzelf weer dicht. Het herstelproces duurt in dit geval onge- veer een maand. "Een andere manier om beton zelfherstellend te maken is het gebruik van bacteri- en. Beton heeft een zeer hoge pH, maar we hebben een aantal bacteri?n gevonden dat hier juist goed kunnen leven. Als ze eten scheiden ze calciumcarbonaat uit waarmee ze scheuren kunnen herstellen. De bacteri?n kunnen zo'n 200 jaar mee- gaan omdat ze sporenvormend zijn; als ze onvoldoende voedsel krijgen gaan ze in een soort winterslaap. Deze is voorbij als ze weer voldoende water en voedsel krijgen en dat gebeurt als er een scheur optreedt. We zijn in Delft nu zo ver dat we voldoende bacteri?n kunnen toevoegen zonder sterkteverlies en dat tachtig pro- cent van deze bacteri?n in leven blijft." Oproep Met het onderwerp zelfherstellende materialen lijken de Delftse en Nederlandse samenwerkingsverbanden goud in handen te hebben. Niet alleen hebben ze de eerder genoemde subsidie van SenterNovem in de wacht gesleept, maar ook de industrie is erg enthousiast over het onderzoek. Volgens Van der Zwaag hebben ondermeer de polymeerindustrie en de verfindustrie het onderzoek vanaf het begin gesteund. Ook de bouwindustrie zag het al heel snel zitten. "Terecht, want de bouw is een heel geschikt gebied om zelfherstellende materialen in te zetten, omdat in deze sector onderhoud duur en lastig kan zijn." "Verder hebben we nu net een raamwerkcontract met de firma IPX, een capital venture company uit Londen, afgesloten. Dit bedrijf gaat andere bedrijven opzetten op het gebied van zelfherstellende materialen. Het zegt wel iets over het vertrou- wen dat ze hebben, als ze al in dit stadium geld in ons onderzoek willen steken." "Zestig procent van ons budget gebruiken we voor materiaalontwikkeling, twintig procent voor theorievorming en de overige twintig procent voor toepassingen. Mo- menteel zijn we op zoek naar toepassingsgebieden en demonstratieprojecten voor onze materialen. We proberen hierbij zoveel mogelijk feedback vanuit de markt te krijgen. Wij hebben immers verstand van materialen en de markt heeft vaak verras- send goede idee?n op het gebied van toepassingen. Ik wil de lezers van dit blad dan ook oproepen om met idee?n voor de toepassing van zelfherstellende materialen te komen. Tot 9 november aanstaande kunnen bedrijven voorstellen voor toepassin- gen indienen bij SenterNovem. Het schrijven van het voorstel kost erg weinig werk en er is in totaal vier miljoen euro gereserveerd. Bovendien kijken wij hoe we ons netwerk kunnen gebruiken om de beste voorstellen door te ontwikkelen. Op de site www.senternovem.nl/IOP_Selfhealingmaterials vindt u alle informatie." Leestip Begin oktober komt het boek `Self Healing Materials; An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science' van Sybrand van der Zwaag uit. Dit eerste boek over zelfherstellende materialen beschrijft onder andere de ontwerpprincipes van zelfher- stellende materialen en de eigenschappen van deze materialen. Het bevat bijdragen van verschillende experts in dit nieuwe onderzoeksveld. De publicatie is voor $169.00 te bestellen via www.springer.com of is te verkrijgen via uw boekhandel. Bacteri?n in het beton kunnen beschadigingen herstellen (rechterafbeelding). Het beton op de linkerfoto bevat geen bacteri?n. De foto links laat scheurvorming in beton zien. De foto rechts laat zelfhersetllend beton zien waarbij scheuren worden hersteld.