maandag 19 januari 2015

De intelligentie van een molecuul

Startupbootcamp Smart Materials heeft als doel om het ondernemerschap op het gebied van slimme materialen te bevorderen. Er wordt veel verwacht van zulke materialen als het gaat om functionaliteit, energieverbruik en prijs. Maar wat zijn dat eigenlijk, smart materials?


Via Startupbootcamp Smart Materials krijgen tien geselecteerde ondernemers toegang tot geld, mentoren, kantoorruimte en een netwerk van industriële partners om de ontwikkeling van hun bedrijf te versnellen. Deze ondernemers moeten actief zijn op het gebied van smart materials; bekijk de trailer.

Het IA Special-rapport “Advanced Materials” geeft een antwoord op de vraag wat onder smart materials wordt verstaan. Dit is een uitgave van Agentschap NL, onderdeel van het Nederlandse Ministerie van Economische Zaken (2012; IA staat voor de ambassadefunctie Innovatie Attaché).
“Een antwoord,” want de industriële toepassing van materialen is enorm breed. Voorbeelden maken het beste duidelijk wat smart materials zijn.

Zo is er zelfherstellend beton dat wordt gemengd met bacteriën. Zodra in het beton scheurtjes ontstaan en vocht doordringt, worden de bacteriën actief. Hun afscheiding dicht de scheurtjes (Nederland).

Ook door toevoeging van capsules met epoxy (een polymeer) zijn zelfherstellende betonconstructies mogelijk. Wanneer in dit beton scheurtjes ontstaan, breken de capsules en zal het epoxy de schade herstellen (Singapore).

Cement kan ook gemengd worden met grafiet deeltjes, die door hun elektrische geleiding functioneren als een sensor. Daarmee wordt het mogelijk om breuken op te sporen, bijvoorbeeld in gebouwen en ondergrondse infrastructuur, zoals rioleringen en tunnels (Singapore).

Vaak worden in zelfherstellende lakken minuscule capsules verwerkt. Wanneer de verflaag beschadigd raakt, breken die microcapsules open en wordt er een chemische reactie getriggerd die de beschadiging herstelt. Dergelijke intelligente coatings kunnen de kosten van corrosie aan vliegtuigen, machine-onderdelen, boten en in waterzuiveringsinstallaties drastisch terugdringen (Duitsland, Singapore, VS).

Er wordt veel aandacht besteed aan de winning, herverwerking en substitutie van zeldzame aardmaterialen (neodymium, yttrium, europium, terbium, dyprosium, cerium, indium, lanthanum en tellurium), die onder meer in magneten, batterijen en hightech-apparaten worden toegepast (Frankrijk, Japan, VS, Canada).

In membraan-brandstofcellen is het gebruikelijke platina (met zijn hoge en sterk fluctuerende prijs) vervangen door (minder kostbare) elektrolyten op polymeerbasis (Israël).

Grafeen is een uniek materiaal, want het bestaat uit een enkele laag van koolstofatomen, behoort tot de sterkste materialen ter wereld en is een zeer snelle halfgeleider. Er is inmiddels een batterij met grafeen die een hogere energiedichtheid en een langere levensduur heeft dan andere lithiumbatterijen. Oplaadbare batterijen met grafeen kunnen in minuten in plaats van uren worden opgeladen. Er wordt verwacht dat grafeen ook in halfgeleiders en flexibele beeldschermen wordt toegepast (Zuid-Korea, VS).

Koolstofvezel versterkte polymeren (composieten) zijn licht en supersterk in vergelijking met staal. Daarom wordt dit materiaal steeds meer toegepast, bijvoorbeeld in auto’s: een composiet autostoel is 23 procent lichter dan de huidige stalen stoel. De belangrijkste factor is het lagere brandstofverbruik, maar er zijn ook andere redenen om composieten te gebruiken: verbetering van de rijeigenschappen, roestbestendigheid, recyclebaarheid en de multifunctionele en esthetische eigenschappen. Je vindt composieten ook in vliegtuigen, de bladen van windmolens, brugdekken en racefietsframes. Vliegtuigmotoren kunnen met composieten 225 kg lichter worden gemaakt, waardoor het brandstofverbruik met vijftien procent daalt. Behalve composieten kunnen ook magnesium of titanium gebruikt worden (Japan, Duitsland, Nederland, Frankrijk, VS).

Piëzo-elektrische kristallen kunnen mechanische energie omzetten in elektrische energie. Generatoren met dergelijke kristallen kunnen in asfalt worden geplaatst om wegverlichting, stoplichten en waarschuwingsborden te voeden (Israël).

Er is een dun, flexibel, vouwbaar, en waterwerend verlichtingssysteem dat op stof, leer en vinyl kan worden geprint. Het product produceert geen warmte, is energie-efficiënt en heeft geen externe lichtbron nodig zoals bij reflectiematerialen het geval is. Het materiaal wordt inmiddels gebruikt in toetsenborden van mobiele telefoons, maar kan ook op sport- en veiligheidskleding worden aangebracht (VS).

De supersterke vezel Dyneema van DSM (gevestigd op Brightlands Chemelot Campus) kan worden toegepast in kleding (voor sport en vrijetijd), beschermende materialen (kogelwerende vesten) en supersterke touwen (ter vervanging van zware staalkabels of kettingen voor offshore en kranen; Nederland, VS).

Vitrimère’ combineert de eigenschappen van rubber en glas: onoplosbaar in water, rekbaar, flexibel of hard afhankelijk van de samenstelling, maar zeer sterk, hervormbaar bij verhitting en recyclebaar. Dit polymeer is goed bruikbaar om een mal te maken als het gieten daarvan moeilijk of onmogelijk is; bekijk de demonstratie (Frankrijk).

Een nieuw type dubbelglas is driemaal dunner dan normaal dubbel glas en isoleert tweemaal beter. Met de coating op deze intelligente ramen in het mogelijk om met een druk op de knop het raam te verduisteren (Duitsland).

Glas in zonnecellen kan worden vervangen door materiaal dat minder breekbaar, lichter en flexibeler is (Israël).

Zeoliet-bolletjes (een soort mineraal) zijn geschikt voor warmte-opslag. Deze poreuze bolletjes nemen warmte op als ze in contact komen met warme, droge lucht en geven die warmte weer af als ze in contact komen met water (Duitsland).

Door de voeding van de zijderups aan te passen, kunnen functionaliteiten aan de zijde worden toegevoegd. Zo kan zijde simpel worden gekleurd door kleurstoffen aan de voeding van de zijderupsen toe te voegen. Meer geavanceerde toepassingen vinden we in de life sciences, bijvoorbeeld zijde als hechtdraad en dragermateriaal voor weefselregeneratie (Singapore).

Een bekend voorbeeld van biomimicry – oplossingen nabootsen die in de natuur voorkomen – is de superhydrofobe coating, gebaseerd op het blad van de lotusbloem. Water en stof rollen als het ware van deze zelfreinigende coating af. Zo’n coating is nog een redelijk low-tech toepassing van superhydrofobiciteit. Meer hightech is de toepassing in zgn. ‘lab-on-a-chip’ microfluidic devices, waarbij het van belang is om kleine hoeveelheden vloeistof gecontroleerd te transporteren (China).

Zwarte vlindervleugels reflecteren weinig zonlicht en absorberen daardoor een groot gedeelte van de energie. Die vleugels bestaan uit langwerpige rechthoekige schubben; vergelijkbaar met dakpannen. Met titaniumdioxide werd een soortgelijke structuur nagemaakt en daarme konden watermoleculen efficiënt in zuurstof en waterstof worden omgezet (China).

Op textiel en andere kunststoffen kunnen titaniumdioxide-deeltjes worden aangebracht. Deze TiO2-deeltjes kunnen voor unieke eigenschappen zorgen, zoals kleurvastheid, zelfreinigend vermogen of weerbaarheid tegen bacteriën (Nederland).

Er wordt gewerkt aan grote beeldschermen op basis van organische LEDs, die zeer dun en lichtgewicht zijn, met zeer laag energieverbruik, snelle respons en grote kijkhoek (Japan).

In energieopwekkingssystemen, stroomtransportnetwerken, elektrische auto’s, spoorwegen en huishoudelijke apparaten worden zgn. omzetters toegepast. Door het silicium in deze omzetters te vervangen door siliciumcarbide kan energie worden bespaard, kunnen hogere elektrische stromen worden verwerkt en kunnen de omzetters compacter worden gemaakt (Japan).

Er zijn supramoleculeculaire structuren in de vorm van een capsule, die ongeveer een nanometer groot zijn (een miljardste van een meter). Andere moleculen kunnen in de holte worden ingebracht. Zulke capsules kunnen gebruikt worden voor gerichte medicijnafgifte. Medicijnen kunnen veilig door de maag geloodst worden om bijvoorbeeld in de twaalfvingerige darm uit de capsule te worden vrijgelaten (Japan).

De kleur van elektrochromogene materialen is ‘schakelbaar’, wat ze geschikt maakt voor ‘elektronisch papier’, oftewel de zwart-witschermen van e-readers. E-paper reflecteert licht net als een krant en kan bij daglicht gelezen worden. Aangezien deze schermen geen licht uitzenden, wordt het oog minder moe in vergelijking met gangbare schermen. Bovendien wordt het beeld van een e-paper scherm niet voortdurend ververst en verdwijnt het ook niet als de stroom wordt uitgeschakeld. E-paper bespaart dus energie (Japan).

Viscositeit of stroperigheid is een fysische materiaaleigenschap: bij stijgende temperatuur neemt de viscositeit van een vloeistof af. Voor veel mogelijke toepassingen zijn de viscositeitsveranderingen te gering, te langzaam of te complex. Opmerkelijk is de ontwikkeling van schokdempers die kunnen worden aangepast aan de rijomstandigheden. Een elektrische stroom beïnvloedt namelijk de viscositeit van de vloeistof in de schokdemper (China).

Een geheugenmateriaal (shape-memory materials) kan van een vervormde (tijdelijke) toestand terugkeren in een of meerdere originele vormen. Dit doen ze op basis van externe stimuli, zoals temperatuurverandering of licht. Zo zijn er labels van shape-memory polymers die gebruikt kunnen worden ter controle van de echtheid van een product. Na verhitting van het label worden reliëftekens permanent zichtbaar. Zo’n label kan een bijdrage leveren aan de bestrijding van vervalste producten (China).

Beste ondernemer, met welke toepassing van smart materials ga jij ons verrassen?
Doe mee aan Startupbootcamp Smart Materials!
Je kunt je tot 13 maart 2015 inschrijven via www.startupbootcamp.org/accelerator/smart-materials.