Op grond van het onderzoek dat we vandaag doen, verplaatst het terrein van de toegepaste materiaalkunde zich in nieuwe, bijna science-fictionachtige richtingen. Opdoemende grondstoffenschaarste vraagt om innovaties en onconventionele oplossingen. Op het materiaalfront ziet het ernaar uit dat composieten met zulke aantrekkelijke eigenschappen als een laag gewicht, grote sterkte en grote duurzaamheid een groter marktaandeel zullen gaan innemen, en meer van deze materialen zullen ongetwijfeld gecreëerd worden op basis van hernieuwbare grondstoffen, omdat de noodzaak hiervan steeds groter wordt. Het meest veelbelovende materiaal op dit toneel is wel grafeen.
Grafeen is maar één atoom dik (1 miljoen keer dunner dan een mensenhaar) maar 200 keer sterker dan staal qua gewicht, extreem flexibel, superlicht en bijna transparant en geleidt warmte en elektriciteit zeer goed. Het is bijna te mooi om waar te zijn als materiaal.
Onderzoekers verbonden aan de Nankai Universiteit in de Chinese stad Tianjin, hebben onlangs ontdekt dat een grafeenspons licht kan omzetten in energie, wat de mensheid een stap dichterbij een brandstofloos ruimteschip brengt: een dat werkt op zonlicht.
Grafeen is min of meer per ongeluk ontdekt in 2004 toen de professoren Andre Geim en Kostya Novoselov van de Universiteit van Manchester in Engeland experimenten deden met potloden en plakband. In 2010 wonnen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun grafeenonderzoek, en de Europese Unie heeft vervolgens 1 miljard euro gestoken in de oprichting van het Grafeen Vlaggenschip, een onderzoeksinitiatief dat gericht is op het versnellen van de ontwikkeling van commerciële toepassingen. Potentiële toepassingsgebieden gaan van waterzuivering en energieopslag tot en met huishoudelijke artikelen, computers en andere elektronica. Terwijl ondertussen het aantal grafeengerelateerde patenten met duizenden toeneemt, is een grootschalig industrieel gebruik van grafeen beperkt vanwege de hoge productiekosten van het materiaal, maar dat kan zomaar ineens veranderen. Onderzoekers van de Universiteit van Glasgow hebben een manier ontdekt om grote vellen grafeen te produceren die ongeveer 100 keer goedkoper is dan de tot nu toe gebruikte productiemethode.
Synthetische huid, waarmee mensen met arm- of beenprotheses kunnen voelen, is een van de vele mogelijkheden die uit deze ontwikkeling kunnen voortkomen. “Grafeen kan helpen bij het vormen van een ultraflexibel, geleidend oppervlak waarmee mensen met een prothese op een manier kunnen voelen die zelfs voor de meest geavanceerde protheses van vandaag onmogelijk is,” zegt Dr. Ravinder Dahiya, die het onderzoeksteam van de Universiteit van Glasgow heeft geleid.
Metalen hebben de industrie gedomineerd en zijn typerend geweest voor hele periodes in de geschiedenis van de mensheid. Dit langdurige gebruik heeft gezorgd voor een schat aan informatie en expertise, maar toch zijn wetenschappers en onderzoekers voortdurend bezig de grenzen van deze materialen te verleggen. Nanomaterialen nemen in dit onderzoek een prominente plaats in, doordat zij metaaleigenschappen verbeteren en de weg openen naar nieuwe toepassingsgebieden .Ontwikkelingen in metalen matrix nanocomposieten – composieten die gedeeltelijk bestaan uit koolstof nanobuisjes of nanodeeltjes – zouden kunnen uitmonden in een nieuw tijdperk van gewichtsreductie in de lucht- en ruimtevaartindustrie, door hun extra sterkte en stijfheid.
Het onderzoek naar nanocomposieten opent de mogelijkheid van zelfherstellende materialen, ongeveer op dezelfde manier als het menselijk lichaam zichzelf herstelt. Onderzoekers van Beckman Institute’s Autonomous Materials Systems Group aan de Universiteit van Illinois in de Verenigde Staten werken aan vezelcomposietmaterialen met zelfhelende eigenschappen, waarin helende stoffen vrijkomen en polymeriseren wanneer een beschadiging is gedetecteerd.
“Materialen die zichzelf herstellen komen eraan,” vertelt materiaalkundige Mark Miodownik. Op dit moment is dat wat technisch mogelijk is, nog lang niet economisch haalbaar, maar de mogelijkheid om iets ter plekke te repareren, van vliegtuigvleugels tot aan fietsframes tot aan auto-onderdelen die cruciaal zijn voor de veiligheid van het voertuig en zijn passagiers, ligt in het verschiet. En dit zal een reusachtige invloed hebben op de ontwikkeling, de levensduur en de duurzaamheid van producten. Onderzoekers werken zelfs aan materialen waarmee een weg zichzelf kan repareren in plaats dat gewacht moet worden tot er een overwerkte, onderbezette onderhoudsploeg arriveert.
Duizenden jaren lang heeft de materiaalkunde zich ontwikkeld via een reeks toevallige ontdekkingen van materialen die in de natuur voorkomen. Tegenwoordig kijken wetenschappers verder dan de natuur en combineren zij meerdere conventionele materialen of delen van materialen. Ze concentreren zich op de erin aanwezige structuren of patronen, om eigenschappen te creëren die niet in de natuur voorkomen – of tot nu toe nog niet zijn ontdekt.
Een zo'n ontwikkeling is een samenstel van ribbels die lijken op een haaienhuid. Dit Sharklet genoemde micropatroon, beschermt tegen de innesteling en overdracht van bacteriën en wordt ontwikkeld voor toepassing in ziekenhuizen en andere instellingen voor de gezondheidszorg.
Een andere materiaalontwikkeling heeft betrekking op onzichtbaarheid. Natuurkundigen in verschillende landen werken aan metamaterialen die beloven voorwerpen onzichtbaar te maken door ze te omhullen met een materiaal dat elektromagnetische stralen, zoals licht, kan afbuigen rond een voorwerp, waardoor het lijkt of het er niet is.
Materiaalkunde en de ontwikkeling van nieuwe materialen en de verbetering van bestaande, zullen hoogstwaarschijnlijk een cruciale rol gaan spelen als het gaat om grondstoffenschaarste en duurzaamheid. Nieuwe materialen – bijvoorbeeld, lichtabsorberende bouwmaterialen – kunnen het opwarmen van de aarde helpen tegengaan.
We lijken aan het begin te staan van een nieuw tijdperk dat gekenmerkt wordt, niet alleen door de digitalisering en het Internet der Dingen, maar ook, en in belangrijke mate, door nieuwe materialen – materialen die onze toekomst gemakkelijker, veiliger en duurzamer maken. De bomen groeien echt tot in de hemel.
