Als je nu toch eens het ideale materiaal mocht dromen, wat zou dat dan zijn? Natuurlijk een kunststof! Maar wat zouden de eigenschappen van dat droommateriaal dan zijn? Heel erg sterk, eenvoudig te produceren, recyclebaar…
Of de wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) specifiek die droom hadden weet ik niet, maar ze zijn erin geslaagd een ‘superplastic’ te creëren dat twee keer zo sterk is als staal. De dichtheid van het materiaal – dat 2DPA-1 wordt genoemd – is slechts één zesde dan die van staal. Andere bijzondere eigenschappen: het materiaal is elektrisch geleidend en kan gassen (zoals zuurstof) tegenhouden. De elastische modulus (de kracht die nodig is om het tijdelijk te vervormen) van 2DPA-1 is tot zes keer meer dan dat van kogelvrij glas.
De werking van 2DPA-1 is een beetje te vergelijken met klittenband. Wat klittenband grip geeft is niet één bepaalde lus en haak, maar de vele lussen en haakjes, die in elkaar grijpen. Het superpolymeer haalt zijn abnormale sterkte uit waterstofbruggen. De monomeren zijn gemaakt van melamine (dat verder afbreekt in koolstof- en stikstofatomen in een ringstructuur). Ze vormen een soort bloedplaatjes als ze in 2D groeien. De lagen van micro-bloedplaatjes zouden wegglijden en om ze bij elkaar te houden is één waterstofbrug verre van genoeg. Maar veel waterstofbruggen tussen de lagen houden ze gestapeld.
Die waterstofbruggen zorgen ervoor dat 2DPA-1 zijn kracht niet verliest. In plaats van dat de last op slechts één binding ligt, wat hetzelfde zou zijn als verwachten dat één klittenbandhaakje iets dichthoudt, delen meerdere bindingen de belasting door het polymeer. Iets soortgelijks gebeurt met de bloedplaatjes. Elk willekeurig bloedplaatje zou gasdoorlaatbaar zijn omdat er gaten in de moleculaire structuur zitten. Wanneer deze echter op elkaar worden gestapeld en door waterstof in vellen 2DPA-1 worden gebonden, bedekken ze elkaars gaten en laten ze geen moleculen binnen.
Wat zo mogelijk nog wonderlijker is aan 2DPA-1, is dat het polymeer zichzelf assembleert. Het heeft alleen een oplossing nodig en mono-meren stapelen zichzelf op in plaatvorm. Een van de onderzoekers, Michael Strano, denkt dat waterstof-binding het voor haar gemakkelijker maakt om dit te doen en kan zich alleen vormen door zelfassemblage. Monomeren die zichzelf stapelen, blijven waar ze zijn en in de juiste positie om parallelle monomeren eraan te laten hechten.
Als we het over nog een nieuw wondermateriaal hebben, moet ik meteen denken aan grafeen. Ook grafeen bestaat uit een tweedimensionaal vlak van atomen en is enorm sterk, maar het lukt maar niet om het op grote schaal te produceren. Volgens het brein achter dit materiaal, Michael Strano, is dat bij 2DPA-1 niet het geval. ‘Je kan het gewoon in een beker bij kamertemperatuur produceren. We kunnen kilo’s van dit spul maken.’ Volgens Strano zou 2DPA-1 ook recyclebaar kunnen zijn.
Het onderzoek van de MIT-wetenschappers is gepubliceerd in het tijdschrift Nature. 2DPA-1 wacht nu op twee patenten voor het proces dat het creëert. Ik kan niet wachten…
Hugo M. van der Horst
hoofdredacteur Kunststof Magazine