Veel natuurlijke materialen blinken uit in precisie. Zij vervullen zeer precieze taken – en naarmate onderzoekers dieper doordringen in hun functies, ontdekken zij dat deze precisie voortkomt uit complexiteit. Bijna alle natuurlijke materialen zijn composieten, subtiele mengsels van zuivere verbindingen, afgestemd op het bereiken van het gewenste resultaat. Nanocomposieten zijn ruwe maar doeltreffende middelen om dit natuurlijke effect na te bootsen.
Dit is het zesde artikel in een serie over het binnenkort te verschijnen boek van Alle Bruggink en Diederik van der Hoeven: More with Less, Welcome to the Precision Economy. De artikelen verschenen op 30 oktober en 2 november 2016, en 24 januari, 14 februari, 18 maart en 30 maart 2017.
Natuurlijke materialen? Hout bijvoorbeeld: rechte strengen van cellulose los omwonden door strengen van hemicellulose, gelijmd door lignine. Oesterschelpen: afwisselende lagen van chitine en kiezel. Eierschalen: kalk met wat eiwitten. Spinnenwebben: mengsels van eiwitten. Glassponzen (soorten die diep in de oceaan leven): lagen kiezel met heel weinig eiwitten er tussen, structuren zó sterk dat ingenieurs er inspiratie uit opdoen voor het ontwerp van bruggen. Enzovoort enzovoort. Elk composietmateriaal precies afgestemd op de functie die het moet vervullen, in een eindeloze variatie.
Nanodeeltjes veranderen materiaaleigenschappen
Nanocomposieten zijn composieten, materialen die bestaan uit een matrix (een gastheer) en vulstoffen die in kleine hoeveelheden worden toegevoegd maar die een grote invloed hebben op de eigenschappen van het materiaal; zoals polyester versterkt met vezels, veel sterker dan de polyester zelf. Maar het bijzondere van nanocomposieten is dat de vulstoffen op nanoschaal zijn, d.w.z. in de orde van een nanometer (nm), een miljoenste millimeter. Nanodeeltjes hebben een veel sterkere invloed op materiaaleigenschappen dan een even groot percentage grotere deeltjes, zeg in de orde van micrometers tot millimeters. Want een veel groter deel van het matrixmateriaal is in direct contact met de vulstof. Onderzoek lijkt aan te tonen dat vulstoffen met een breedte kleiner dan 100 nm een sterke invloed hebben op eigenschappen als elektrische geleiding, magnetisme, sterkte en plasticiteit van het materiaal. Bij vulstoffen dunner dan 50 nm kunnen de optische eigenschappen sterk veranderen. En materialen kunnen plotseling veel meer katalytisch actief zijn bij vulstoffen dunner dan 5 nm. Het onderzoek op dit terrein gaat zó snel dat onderzoekers het niet meer in hun eentje kunnen overzien, zodat er vele specialismen ontstaan.
Vulstoffen kunnen anorganisch zijn, bijvoorbeeld aluminiumoxide en siliciumoxide (zand), of organisch zoals harde plastics of cellulose microvezels. Een van de meest interessante vulstoffen bestaat uit koolstof nanobuisjes, waarvan de mogelijke toepassingen werden ontdekt in 1991. Zij zijn heel dun, een rol gemaakt van een enkele laag koolstofatomen. Ze kunnen heel lang worden gemaakt (een paar miljoen keer hun breedte), of een beetje dikker zodat er andere moleculen in worden ingevoegd, of met een dubbele wand etc. Koolstof nanobuisjes kunnen worden toegevoegd aan metalen, keramische stoffen of polymeren, en veranderen sterk de warmtegeleiding, en elektrische en mechanische eigenschappen. Zeker zo veelbelovend is grafeen als vulstof. Grafeen, pas gemaakt en beschreven in 2004, bestaat uit een zeer dunne laag, één koolstofatoom dik. Omdat grafeen zijn gastheer versterkt in twee richtingen in plaats van één (zoals bij koolstof nanobuisjes), is zijn invloed op de eigenschappen van het materiaal misschien nog wel groter.
In de natuur komen nanocomposieten veel voor
Naarmate we meer leren over nanocomposieten, ontdekken onderzoekers dat ze ook in de natuur veel voorkomen. Dat hoeft geen verbazing te wekken, want de nanoschaal is de schaal van grote moleculen als eiwitten. Schelpen van de zeeoor (abalone) zijn een bekend voorbeeld. Het hoofdbestanddeel van de schelp is calciumcarbonaat (kalk), ook het hoofdbestanddeel van eierschalen; een materiaal dat zelf heel bros is. Maar zeeoorschelpen zijn zeer goed bestand tegen stoten, veel meer dan eierschalen die van binnenuit gebroken moeten kunnen worden door het kuiken. In de zeeoorschelp zijn calciumcarbonaattegels opgestapeld als bakstenen. De tegels worden bij elkaar gehouden door zeer kleverige eiwitmoleculen. Wanneer er een stoot tegen de schelp komt, breken de tegels niet maar ze glijden; het eiwit rekt uit en absorbeert daarmee de energie van de stoot.
In keramische materialen (zoals de zeeoorschelp), verbeteren nanovulstoffen vooral de taaiheid van het materiaal. Keramische stoffen worden veel gebruikt omdat ze nauwelijks slijten en zeer stabiel zijn. Maar ze zijn ook bros, en dit is in de praktijk vaak een probleem. Veel keramische nanocomposieten zijn veel minder breekbaar dan het uitgangsmateriaal. Bij metalen verminderen nanovulstoffen juist vaak de rekbaarheid van het materiaal. Metalen worden veel gebruikt bij het maken van bijvoorbeeld auto’s en vliegtuigen. Ze zijn taai, maar minder sterk dan keramische materialen. Nanocomposieten van metaal combineren vaak de eigenschappen van beide materialen: de taaiheid van metalen samen met de sterkte van keramische materialen. Maar de meest bijzondere effecten hebben nanovulstoffen bij polymeren. Het materiaal kan er aanmerkelijk beter door bestand worden tegen hitte en stoten, het kan veel meer brandwerend en mechanisch sterker worden, en minder doorlaatbaar voor gassen en waterdamp. Polymeren met nanovulstoffen kunnen nieuwe magnetische, elektronische, optische of katalytische eigenschappen krijgen, terwijl zij toch de eigenschappen kunnen behouden waarom zij zo veel worden gebruikt, zoals hun bewerkbaarheid en het gemak waarmee wij er films van kunnen trekken. Met de geschikte nanovulstof kunnen we dus lichtgewicht en rekbare materialen krijgen met unieke, bijvoorbeeld magnetische eigenschappen. En, wat steeds belangrijker zal worden, met de juiste nanovulstof kan het polymeer ook veel beter biologisch afbreekbaar worden.
Gevolgen voor de gezondheid?
Kortom, nanocomposieten vergroten aanzienlijk het bereik aan materialen waarover de mensheid beschikt. Met nanovulstoffen krijgen vele materialen nieuwe nuttige eigenschappen die precies zijn toegesneden op de gewenste toepassing. Recycling van nanocomposieten, wat steeds belangrijker zal worden, is echter nog nauwelijks bestudeerd. En nanocomposieten kunnen gevolgen hebben voor de gezondheid. Als nanodeeltjes zijn losgekomen van hun gastheer, zouden ze mens en milieu kunnen schaden. Al vanaf het begin van het onderzoek naar nanocomposieten hebben wetenschapsmensen zich dit gerealiseerd. Rond 1990 vonden onderzoekers in het algemeen dat voorkómen beter was dan genezen – wijs geworden door de wijdverbreide weerstand tegen technologieën die eerst als nuttig en milieuvriendelijk werden gezien, zoals kernenergie. Maar ook na twintig jaar onderzoek zijn er nog steeds geen aanwijzingen voor gezondheidsschade. Soms zijn nanodeeltjes zelfs voorgesteld als voertuigen voor geneesmiddelen in het menselijk lichaam, zoals de moleculaire onderzeeërs van Ben Feringa. Ja, biochemische effecten zijn wel aangetoond; sommige nanodeeltjes kunnen bijvoorbeeld celwanden doorboren. Maar tot nu toe zijn schadelijke effecten voor de gezondheid niet aangetoond. We moeten voorzichtig blijven, maar er zijn geen aanwijzingen dat nanodeeltjes de menselijke gezondheid of het milieu zullen aantasten.