Nieuw wondermateriaal: sterk als plastic, buigzaam als glas

Onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) hebben een nieuw soort materiaal ontwikkeld dat de aloude regels van de materiaalkunde doorbreekt. Het materiaal, ‘compleximer’ genaamd, combineert de slagvastheid van kunststof met het gemak van hervormbaarheid en blaasvormen van glas.

De meeste materialen volgen een eenvoudige regel: als ze langzaam smelten en gemakkelijk te verwerken zijn, zijn ze meestal broos. Zo verliezen ‘sterke’ glasvormers (zoals anorganische netwerkglazen) langzaam hun viscositeit over een breed temperatuurbereik, waardoor ze nuttige verwerkingseigenschappen hebben. Daarentegen vertonen ‘breekbare’ organische glasvormers een plotselinge daling van de viscositeit binnen een klein temperatuurbereik, waardoor ze moeilijker te verwerken zijn zonder nauwkeurige controle.

Het geheim achter het materiaal

Het geheim achter de unieke eigenschappen van het compleximeer ligt in de moleculaire structuur ervan. In conventionele kunststoffen bestaan moleculen uit lange ketens die door chemische crosslinks aan elkaar zijn ‘geplakt’. In het nieuwe materiaal worden deze ketens daarentegen bij elkaar gehouden door fysische krachten. De ene helft van de keten heeft een positieve lading, terwijl de andere helft een negatieve lading heeft. Op deze manier trekken de twee delen elkaar aan, net als magneten. “Zo blijven de ketens bij elkaar, zonder dat ze chemisch aan elkaar zijn gebonden”, legt Sophie van Lange, eerste auteur van de publicatie, uit.

De wetenschappers van de WUR waren zelf zeer verrast toen ze de eerste resultaten zagen. “Het wierp een heel nieuw licht op iets wat wetenschappers al tientallen jaren probeerden te begrijpen”, zegt Jasper van der Gucht, hoogleraar fysische chemie en zachte materie.

Waarom gedragen compleximeren zich zo?

De onderzoekers vergeleken de materiaaleigenschappen met die van andere stoffen die geladen componenten bevatten, zoals ionische vloeistoffen. Deze kunnen bijvoorbeeld elektriciteit geleiden en worden gebruikt in zonnepanelen en batterijen. Andere geladen materialen gedragen zich ook anders, constateerden de wetenschappers, wat aantoont dat deze materialen zich anders gedragen.

De eerste hypothese die wetenschappers hebben geformuleerd om dit gedrag te verklaren, heeft te maken met de afstand tussen moleculaire ketens binnen plastic moleculen. De chemische crosslinks in conventionele kunststoffen trekken de ketens naar elkaar toe. Omgekeerd werken de elektrische ladingen over een grotere afstand, waardoor er meer ruimte tussen de ketens ontstaat. Op moleculair niveau resulteert dit in een andere structuur, wat dit ongebruikelijke gedrag zou kunnen verklaren.

Dankzij deze structuur openen de materiaaleigenschappen nieuwe mogelijkheden. Compleximers zijn zowel slagvast als gemakkelijk te verwerken, wat reparaties vergemakkelijkt. Denk bijvoorbeeld aan een dakpaneel dat van dit materiaal is gemaakt. In het geval van een scheur kan het materiaal worden verwarmd, samengeperst en kan de opening weer worden gedicht.

Een sprong voorwaarts in repareerbaarheid en circulariteit

WUR-wetenschappers gaan zich nu richten op vervolgonderzoek om meer inzicht te krijgen in de fysica van compleximers en dieper in te gaan op hoe deze eigenschappen voor specifieke toepassingen kunnen worden gebruikt. Daarnaast gaan ze onderzoeken of het haalbaar is om biogebaseerde versies van deze materialen te ontwikkelen, die momenteel worden gemaakt van fossiele grondstoffen.

Volgens Wouter Post, senior onderzoeker in duurzame kunststoftechnologie aan de WUR, wijst het onderzoek op een blinde vlek in het materiaalonderzoek. “Het meeste toegepaste onderzoek richt zich op het verbeteren van recycling, terwijl dit werk de deur opent naar kunststoffen die gemakkelijk te repareren zijn of zelfs zeer snel biologisch afbreekbaar zijn.”

Naarmate wetenschappers de eigenschappen en het gedrag van compleximeren verder bestuderen, kunnen hun ontdekkingen mogelijk de toekomst van alledaagse voorwerpen opnieuw vormgeven, waardoor duurzaamheid en duurzaamheid hand in hand gaan. Gebarsten kopjes, gebroken glas of beschadigde carrosserieën zouden met wat warmte en druk kunnen worden gerepareerd, waardoor het gebruik van hulpbronnen wordt verminderd en repareerbaarheid en circulariteit echt worden omarmd.