4TU.HTM publiceert boek over designer materialen

Portret Danqing Liu: Ernst de Groot

Ter afsluiting van het onderzoeksprogramma 'New Horizons in Designer Materials' (2016-2019) publiceert het 4TU.Research Centre High-Tech Materials (4TU.HTM) het boek Stretching the boundaries of materials. In het boek komen materiaalwetenschappers aan het woord. Zij blikken terug op hun zes onderzoeksprojecten en lichten de hoogtepunten van hun werk toe. Bekijk het boek >>

Van slimme polymeeroppervlakken tot koolstofnanotubes

Het doel van het onderzoeksprogramma was nieuwe onderwerpen in de materiaalkunde te ontwikkelen tot onderzoeksgebieden aan de Nederlandse technische universiteiten. Het programma bood de mogelijkheid om fundamenteel curiosity-driven onderzoek te doen.

De talrijke voorbeelden laten zien hoe divers materiaalonderzoek is en hoe essentieel materialen zijn voor de samenleving van morgen. De onderwerpen variëren van slimme polymeeroppervlakken die bepaalde vormen van communicatie mogelijk maken tussen mens en machine tot koolstofnanotubes die - in combinatie met een transparant polymeer - gebruikt kunnen worden om wegwerpmicroscopen te produceren, waardevol voor de gezondheidsdiagnostiek.

Het boek bevat interviews (door DBAR science writer & editor) met de wetenschappelijk directeur van 4TU.HTM, de coördinator van het onderzoeksprogramma en de onderzoekers van de zes projecten, die het vakgebied materiaalkunde, zijn betekenis en het onderzoeksprogramma in begrijpelijke termen samenvatten. De lezer hoeft daarvoor geen materiaalexperts te zijn.

Prof. Jilt Sietsma, wetenschappelijk directeur, belicht de essentie van de materiaalkunde in de inleiding van het boek: “Of het nu nanobuizen of polymeren zijn, materialen zijn de sleutel tot de volgende generatie technologieën. . . . Steeds meer mensen beseffen dat materialen een sleutelrol spelen in het oplossen van de complexe uitdagingen waar de maatschappij tegenaan loopt zoals bijvoorbeeld de uitstoot van broeikasgassen, de fossiele brandstoffen en het gebrek aan grondstoffen.”

De zes projecten uitgelicht

Kunnen robots kippenvel krijgen?
Het doel van het project ‘Communicating Surfaces’ was het ontwikkelen van een polymeeroppervlak dat veilig en gecontroleerd elektrische signalen omzet in tastbare oppervlaktepatronen. De mogelijke toepassingen zijn legio. In dit interview deelt Danqing Liu (Technische Universiteit Eindhoven) wat ze voor ogen heeft: programmeerbare braille, tactiele toetsen op touchscreens en zelfreinigende oppervlakken, bijvoorbeeld om de zonnepanelen van de Mars Rover stofvrij te houden. De door Danqing ontwikkelde communicerende polymeerlagen kunnen een aantrekkelijke interface worden tussen mens en machine of zelfs tussen robots, nuttig in robotica. “Een robot kan de oppervlaktetopografie van een andere robot voelen, zoals het scannen van een vingerafdruk of het voelen van kippenvel.”
Lees het interview vanaf pagina 12 van het boek >>

Een game changer in de vorming van hybride designer materialen
Joe Patterson (nu University of California, Irvine) en zijn opvolger Mohammad Moradi (Eindhoven University of Technology) hebben zich binnen het project ‘Structure Formation’ gericht op het creëren van nieuwe hybride materialen en het analyseren van de vormingsprocessen daarvan met behulp van geavanceerde microscopietechnieken, met name liquid-phase electron microscopy (LP-EM). Het project heeft fundamentele inzichten opgeleverd die kunnen worden gebruikt om de thermodynamica en kinetiek van dynamische processen in moleculen met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen (amfifiele moleculen) te beheersen. Mogelijke toepassingen hiervoor zijn heel divers, en de eventuele impact is daardoor enorm, denk aan medicijnen, energie en katalyse. Deze doorbraak heeft ook belangrijke implicaties voor het begrijpen van materialen in levende systemen. “LP-EM is een game changer in de studie van blaasjes en bij het ontwerpen van nieuwe materialen met een medische toepassing."
Lees het interview vanaf pagina 20 van het boek >>

Functionele polymeercoatings met borstelachtige structuren
Het project ‘From Flatland to Spaceland’ was gericht op de ontwikkeling van een oppervlaktecoating met specifieke mechanische, optische, elektronische en/of thermische eigenschappen om meerdere functies te kunnen vervullen. Het doel was om op moleculaire schaal functionele polymeerplatformen, bestaande uit lange dicht opeengepakte polymeermoleculen, te maken en te gebruiken in geavanceerde toepassingen voor  energievoorziening, milieusanering of het biomedische domein, bijvoorbeeld het smeren van buizen voor olieboringen. Om een functionele laag op een oppervlak aan te brengen, gebruikte Maciek Kopeć (Universiteit Twente, nu Universiteit van Bath) de Atom Transfer Radical Polymerisation (ATRP) techniek, in de jaren negentig geïntroduceerd door Prof. Krzysztof Matyjaszewski, de internationale expert die bij dit project betrokken was. “ATRP zorgt voor een uitstekende polymerisatiecontrole en een goed gedefinieerde polymeerborstel. Zoals verwacht vermindert de organische coating wrijving en slijtage.” Met dit programma heeft Nederland zijn positie op het gebied van polymeerchemie voor designer materialen versterkt.
Lees het interview vanaf pagina 30 van het boek >>

Bekende technieken, nieuwe materialen: ter voorbereiding op de quantumrevolutie
Materiaalwetenschappers moeten de materialen en productieprocessen voor de quantumsystemen van de toekomst ontwikkelen. Het project ‘Superconducting Nanotubes’ had de intentie te onderzoeken of het de moeite waard was om een nieuw materiaal in de cleanroom te introduceren voor een spannende toepassing in het quantumdomein. Amir Mirza Gheytaghi (Technische Universiteit Delft) zegt hierover: “Tot dusver zijn quantuminnovaties alleen op laboratoriumschaal ontwikkeld, maar grote bedrijven zoals Google en Microsoft werken hard aan het opschalen en commercialiseren van quantumtechnologieën.” De materialen die Amir onderzocht waren koolstof nanobuisjes, slechts een paar nanometer in diameter, maar met een verbazingwekkende lijst van eigenschappen: sterker dan staal, beter geleidend dan koper, lichtgewicht, beter lichtabsorberend dan zwarte verf. Een bundel nanobuisjes bleek een perfect platform voor een supergeleidend materiaal. Behalve voor quantumsystemen kunnen koolstof nanobuisjes ook van waarde zijn voor de gezondheidsdiagnostiek. Zo zou met een eenvoudig en goedkoop productieproces wegwerpmicroscopen geproduceerd kunnen worden van een laag koolstof nanobuisjes gecombineerd met een optisch transparant polymeer.
Lees het interview vanaf pagina 38 van het boek >>

Met niet-lineaire dynamiek mechanische metamaterialen creëren
Het project ‘Dynamic metamaterials’ maakt duidelijk dat technologische innovaties voor geluid - net als licht een golfverschijnsel, dat bestaat uit mechanische trillingen - een uitdaging zijn. Wat nodig is voor technologische ontwikkelingen op het gebied van geluid zijn metamaterialen: innovatieve materiaalstructuren met eigenschappen die ‘natuurlijke’ materialen niet hebben. Niet de chemische samenstelling van zo'n materiaal is anders dan van conventionele materialen, maar de manier waarop het materiaal is gestructureerd en gebruikt in een praktische toepassing. Priscilla Brandão Silva (nu Research Scientist bij Philips, Eindhoven) heeft met behulp van analyses en experimenten metamaterialen ontwikkeld met niet-lineaire dynamische kenmerken die nieuwe dempingsmechanismen van geluid en trillingen en de realisatie van een 'mechanische diode’ mogelijk maken (een diode is een elektronenbuis of halfgeleider die de elektriciteit maar in één richting geleidt). Met haar collega's van de Technische Universiteit Eindhoven heeft ze bovendien ontdekt dat frequenties van tweemaal de resonantiefrequentie ook door het metamateriaal worden tegengehouden. De resultaten zijn zeer fundamenteel van aard, maar Priscilla is ervan overtuigd dat deze akoestische metamaterialen in de toekomst zullen worden gebruikt in toepassingen zoals akoestische diodes. Geluid kan ook worden gebruikt in de quantumtechnologie, en er zijn mogelijkheden voor akoestische metamaterialen in de diagnostische gezondheidszorg waarbij gebruik gemaakt wordt van echografie.
Lees het interview vanaf pagina 46 van het boek >>

Entropie: vriend of vijand van de materiaalwetenschapper?
Er bestaat een intrigerende polymeerklasse die reversibele crosslinks bevat: mobiele verbindingen tussen twee polymeerketens die gemakkelijk kunnen worden hersteld wanneer ze worden verbroken. Nicholas B. Tito was gefascineerd door de effecten hiervan op de algemene materiaaleigenschappen, vanwege het vooruitzicht om er recyclebare of zelfherstellende materialen van te maken. Terwijl het toevoegen van meer crosslinks in een polymeernetwerk er meestal voor zorgt dat het stijver, minder elastisch en brosser wordt, tonen experimenten aan dat de toevoeging van bepaalde soorten omkeerbare crosslinks leidt tot een 'taaier' materiaal, dat niettemin even gemakkelijk wordt uitgerekt. Dit proberen te begrijpen was het uitgangspunt van het project ‘Reversible Crosslinking’. Nicholas heeft daarbij gebruik gemaakt van verschillende simulatie- en numerieke modelleringstechnieken. Wat dit 4TU.HTM-project concreet heeft opgeleverd is een ontwerpconcept en modelleerstrategieën voor het bouwen van dit soort zelfherstellende materialen, waarbij de entropie ervoor zorgt dat de polymeren voortdurend nieuwe verbindingen willen verkennen. De verwachting is dat de onderzoekers hierdoor nieuwe materialen met speciale eigenschappen kunnen ontdekken.
Lees het interview vanaf pagina 54 van het boek >>

Verder lezen

Lees ook het gedicht dat dr. Sam Illingworth schreef over deze projecten:
https://www.samillingworth.com/the-boundaries-of-materials

Meer over het boek is te lezen op de 4TU.HTM-website, inclusief de Pdf-file:
https://www.4tu.nl/htm/en/new-horizons/stretching-the-boundaries-of-materials/

Het 4TU.HTM-onderzoeksprogramma ‘New Horizons in Designer Materials'

Binnen het onderzoeksprogramma 'New Horizons in Designer Materials' (2016-2019) van het 4TU.Research Centre High-Tech Materials hebben zes onderzoeksprojecten, uitgevoerd door veelbelovende postdocs, een sterke stimulans gegeven aan de materiaalkunde. In samenwerking met internationale experts en verschillende onderzoeksgroepen van verschillende technische universiteiten hebben zij bijgedragen aan het hoge niveau van materiaalwetenschappelijk onderzoek in Nederland. Als resultaat publiceerden ze een reeks artikelen in toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften. Daarnaast kregen twee van de zes postdocs een persoonlijke beurs, waarmee ze hun onderzoeksthema konden voortzetten.

Contact

Wetenschappelijk directeur van 4TU.HTM is prof. Jilt Sietsma (Materials Science and Engineering, TU Delft), programmamanager is Reina Boerrigter MA.
Website: https://www.4tu.nl/htm
Volg 4TU.HTM op Twitter: @4TU_HTM