Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

Zelfhelend beton

Vaak kopiëren mensen iets uit de natuur, om daar later verbeteringen in aan te brengen. Dan verandert de namaker in een maker – het onderwerp van de derde aflevering van The Mind of the Universe.

Is maken onvermijdelijk ook namaken? Hoewel de drie onderzoekers in deze aflevering sterk van elkaar verschillen, kun je je dit bij elk van hen afvragen. Het buitenbeentje is het Indiase wonderkind Susant Pattnaik – een zeer productieve uitvinder, iemand die bestaande technieken op een innovatieve manier toepast. Zo bedacht hij een manier om iemand die totaal verlamd is met zijn adem een computer te laten bedienen. Maar andere bedenksels, zoals zijn antiverkrachtingsarmband, zijn naïef en hebben een hoog Willie Wortelgehalte.

Veel geavanceerder is het onderzoek van de Braziliaan Miguel Nicolelis. Zijn team probeert verlamde mensen direct met hun hersenen een rolstoel of robotarm te laten besturen. Als dit lukt – en het begin is er al – zal dat een technisch knappe, maar onvolmaakte imitatie zijn van de interface tussen een menselijk brein en een bewegingsapparaat. Pas als Nicolelis er in zou slagen meerdere breinen direct aan elkaar te koppelen, ontstaat er misschien een futuristisch internet van de geest, maar vooralsnog is dat speculatie.

De van origine Russische Joanna Aizenberg lijkt op het eerste gezicht een pure namaker. Ze kijkt naar microstructuren in de natuur om die te kopiëren naar kunstmatige materialen, zoals een coating die extreem water- en vuilafstotend is, geïnspireerd op de bladeren van een bekerplant. Verrassend is dat je dit niet bereikt door die coating extreem glad te maken, maar door er een microstructuur van ribbels op aan te brengen. Maar het stopt niet bij namaken. Zodra de mens inzicht krijgt in de werking van zulke microstructuren, kan die de natuur niet slechts kopiëren, maar verbeteren. Namaken gaat dan over in maken.

De nanomotor van Ben Feringa

Wat dat betreft had Nederlands prominentste maker goed in deze aflevering gepast: de Groningse chemicus Ben Feringa, die afgelopen jaar de Nobelprijs won voor het maken van moleculaire machientjes. Zijn pronkstuk was in 2011 een elektrisch aangedreven nanokarretje, met wielen van slechts één molecuul groot, dat een ritje kon maken over een oppervlak van metaal. In een openbaar telefonisch interview, direct na de bekendmaking van zijn Nobelprijs, zei Feringa daarover: ‘Ik kon bijna niet geloven dat het molecuul echt bewoog.’

Feringa en zijn twee mede-Nobelprijswinnaars creëerden daarmee een vakgebied dat het namaken werkelijk voorbij is. Hoewel ook zij ter inspiratie naar de natuur keken, bestaat er in de natuur niets vergelijkbaars.

Zulke nanomachientjes zijn eigenlijk zelforganiserend. De chemici brengen grote aantallen bouwstenen bij elkaar in een vloeistof, waarna de vorming van de nanorobotjes in wezen vanzelf gaat, zij het via nauwkeurig gecontroleerde tussenstappen – maar er is geen sprake van chemici die individuele moleculen oppakken en aan elkaar monteren. Toen het Nobelcomité hem vroeg welk nut deze nanomachientjes hadden, vergeleek Feringa zich met de gebroeders Wright in 1911. ‘Toen zij een werkend vliegtuig hadden gebouwd, vroeg iedereen zich af waar dat goed voor was. (...) De praktische toepassing van moleculaire machines is echt nog ver weg, maar in de toekomst zullen we ongetwijfeld slimme materialen gaan maken, of drug-delivery-systemen op basis van moleculaire machines.’ 

Een zelfhelende asfaltweg

Net als zelforganisatie is zelfheling een basisprincipe in de natuur. Ook levende wezens slijten, maar ze repareren zichzelf voortdurend. Op een symposium van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (knaw) over materialen en innovatie in kunst en wetenschap liet Sybrand van der Zwaag – hoogleraar Novel Aerospace Materials aan de tu Delft – zien hoe dit principe ook in kunstmatige materialen een trend is. Zo ligt er in Zeeland al enige jaren zestig kilometer zelfhelend zoab (‘stil’ asfaltbeton). Gewoon zoab moet al na een jaar of zeven vernieuwd worden, maar de hoop is dat zelfhelend zoab wel vijftig jaar meegaat.

Beton wordt zelfhelend door er een speciale bacterie aan toe te voegen. Van der Zwaag: ‘Als je die geen eten geeft, slaapt hij tweehonderd jaar.’ Zodra er een barst in het beton ontstaat, komt er zuurstof bij de bacteriën, waardoor ze tot leven komen en kalksteen produceren. Dit lijmt in een week of twee beide breukvlakken weer aan elkaar. Van der Zwaag: ‘Zelfhelende materialen gaan op een veel gecontroleerdere manier stuk. We maken ze niet nóg sterker, maar we gaan anders met schade om.’

Onder redactie van Van der Zwaag verscheen in 2015 het boek Self Healing Materials, waarin tientallen toepassingen beschreven worden, allemaal Nederlands onderzoek. De aluminium huid van vliegtuigen kan zelf haarscheurtjes herstellen, en binnenkort wordt een straalmotor met zelfhelende turbinebladen getest. Die turbinebladen worden tijdens de vlucht gloeiend heet, en zijn daarom bedekt met een keramische coating. Maar die coating loopt door het krimpen en uitzetten snel scheurtjes op. De nieuwe keramische coating herstelt die scheurtjes tussen twee vluchten in, als de motor afkoelt. Daardoor zouden straalmotoren wel vijf keer langer mee kunnen gaan, een enorme kosten- besparing.

Slimme materialen van de toekomst

Duurdere automerken kun je nu al bestellen met een lak die kleine krasjes zelf herstelt. Maar het is bijvoorbeeld nog zoeken naar een verf om de pylonen van windmolens op zee of van booreilanden te coaten die zichzelf ook in dat gure milieu kan herstellen. Dat zou extreem duur onderhoud overbodig maken. Van der Zwaag: ‘Als we dat hebben, dan zegt Shell: het maakt niet uit wat die verf kost.’

Klassiek gezien was maken enerzijds een kwestie van bestaande materialen op macroschaal aan elkaar knutselen (techniek), anderzijds was het een kwestie van enorme aantallen losse moleculen in bulk bij elkaar gooien (chemie). Het nieuwe maken beweegt zich daartussenin, en kan daardoor aan de natuur ontstijgen. Designermoleculen organiseren zichzelf tot nanomachientjes. Materialen beschermen zichzelf op moleculair niveau tegen slijtage. Metamaterialen krijgen door de micro-structuren op hun oppervlak totaal nieuwe eigenschappen. Het zou overdreven zijn om aan zulke materialen intelligentie toe te schrijven, maar slim zijn ze wel.

Aflevering 3: De maker

In de derde aflevering van The Mind of the Universe laat Robbert Dijkgraaf ons kennismaken met drie vindingrijke mensen. Naast Joanna Aizenberg zijn dat de Braziliaanse neurobioloog Miguel Nicolelis – die de grenzen van het brein oprekt door het rechtstreeks te verbinden met robotarmen of met andere hersenen – en de jonge Indiase uitvinder Susant Pattnaik, ontwerper van -onder meer een rolstoelbesturingssysteem en een antiaan- randings-armband.

The Mind of the Universe: De maker. Zondag, npo 2, 21.05-22.00 uur

Afbeelding: de microstructuur van zelfhelende materialen gebruikt in cementbetonbreuken.