Wageningse onderzoekers hebben een nieuw soort plastic ontwikkeld dat volgens de materiaaltheorie niet zou kunnen bestaan. Zijn eigenschappen liggen tussen glas en plastic in: het laat zich makkelijk (om)vormen én is bestand tegen impact. Die combinatie ontstaat doordat de bouwstenen niet chemisch aan elkaar vastzitten, maar met natuurkundige krachten bijeen blijven. Het resulterende materiaal laat zich eenvoudiger vormen en repareren dan traditioneel plastic. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Laat een drinkglas uit je handen vallen en je kunt met blik en veger aan de gang om alle scherven bij elkaar te vegen. Een plastic beker daarentegen stuitert lichtjes terug van de grond en kan ongehavend terug de kast in. Handig, maar een nadeel is wel dat plastics zich moeilijk in de juiste vorm laten persen. Daar is een mal voor nodig. Glas kun je bij hoge temperatuur blazen en kneden. Wageningse onderzoekers hebben nu het beste van beide werelden gecombineerd in een vernieuwend materiaal. Het gaat voorlopig slechts om enkele grammen, maar het effect is duidelijk. Het amberkleurige plastic laat zich na verhitting kneden en blazen als glas én is stootbestendig zoals plastic. De onderzoekers noemen dit nieuwe type materiaal een compleximeer.
Mysterie in de natuurkunde
De onderzoekers stonden zelf even met hun oren te klapperen toen ze hun resultaten voor het eerst zagen. “Het wierp een heel ander licht op iets wat wetenschappers al tientallen jaren proberen te begrijpen”, zegt Jasper van der Gucht, hoogleraar Physical Chemistry and Soft Matter. Al jaren geldt de vuistregel voor glasachtige materialen, waar onder andere plastics en glas toe behoren: hoe trager het materiaal smelt en hoe makkelijker het zich laat bewerken, hoe breekbaarder. “Maar nu hebben we iets wat daar volledig van afwijkt”, zegt de hoogleraar. Een materiaal dat traag smelt en tegen een stootje kan.
Voor Van der Gucht zit het spannende echt in de nieuwe fundamentele ontdekking, het tarten van de materiaalkundige wetten. Maar als hij zijn fantasie de vrije loop geeft, ziet hij mogelijkheden voor het nieuwe materiaal in de toekomst. Doordat compleximeren slagvast zijn en zich eenvoudig laten bewerken, zijn ze ook snel en eenvoudig te repareren. Denk bijvoorbeeld aan dakplaten, tuinmeubelen of een carrosserie gemaakt van compleximeren. “Hebben ze een flinke scheur? Dan zet je even de föhn erop, aandrukken, en het gat is weer dicht.”
Het verschil met traditionele plastics zit ‘m in de manier waarop de bouwblokken van de plastics aan elkaar verbonden zijn. Op moleculaire schaal bestaan plastics uit lange kettingen. Normaal gesproken liggen die met chemische dwarsverbindingen aan elkaar ‘gelijmd’. De nieuwe variant verbindt de ketens met natuurkundige aantrekkingskrachten. De ene helft van de kettingen is positief geladen, de andere helft heeft een negatieve lading. Die tegenpolen trekken elkaar aan, net als magneten, “Zo blijven de ketens bij elkaar, zonder dat ze chemisch vastzitten”, vertelt Sophie van Lange, eerste auteur van de publicatie.
Ruimte tussen ketens
De onderzoekers vergeleken hun materiaal met stoffen in de literatuur die ook ladingen bevatten, zoals zogenaamde ionische vloeistoffen die elektriciteit geleiden en onder andere in zonnepanelen en accu’s zitten. Ze ontdekten dat ook andere stoffen met lading zich anders leken te gedragen, al hadden wetenschappers daar eerder niet bij stilgestaan. “Dat was gek, maar tegelijkertijd ook spannend”, vertelt Van der Gucht. Stoffen met ladingen laten dus een heel nieuw soort gedrag zien.
Waarom dit precies zo werkt, weten de onderzoekers niet zeker. Ze vermoeden dat het te maken heeft met de afstand tussen de moleculaire ketens waaruit het plastic bestaat. De chemische dwarsverbindingen in traditionele plastics trekken de lange kettingen strak en dicht op elkaar. De aantrekkingskracht van negatieve en positieve ketens werkt op grotere afstand, waardoor er meer ruimte tussen de ketens ontstaat. Op moleculaire schaal ziet het materiaal er daardoor anders uit, wat mogelijk leidt tot ander gedrag van het materiaal. “Maar,” benadrukt Van Lange, “dat is voorlopig slechts een hypothese.”
Biobased versie
In het vervolgonderzoek gaan twee onderzoekers dieper in op de onderliggende fysica om deze mysterieuze materialen beter te begrijpen. Ook zullen ze bestuderen hoe ze de eigenschappen van deze compleximeren kunnen aanpassen om ze toepasbaar te maken voor verschillende doeleinden. Daarnaast staat duurzaamheid op de agenda. Vooralsnog maken de wetenschappers de compleximeren op basis van fossiele grondstoffen, maar daar wil Van der Gucht het niet bij laten. “We hebben een aantal ideeën voor een biobased versie die we de komende jaren willen toepassen”, aldus de hoogleraar.
Voorlopig zullen (biobased) compleximeren nog niet op de markt verschijnen, maar binnen WUR staan toegepast plasticonderzoekers al te popelen om ermee aan de slag te gaan. “Ik ben erg enthousiast over het onderzoek van onze collega’s”, zegt Wouter Post, senior onderzoeker Sustainable Plastic Technology. “Hun onderzoek draagt bij aan een fundamenteel beter begrip van materialen en plastics in het bijzonder. Dat is essentieel voor de transitie naar duurzamer gebruik ervan.” Volgens Post belicht het onderzoek bovendien een blinde vlek in het huidige plasticonderzoek: “Het meeste toegepast onderzoek op dit gebied richt zich op beter recyclen, terwijl deze studie juist deuren opent naar plastics zich eenvoudig laten repareren of zelfs razendsnel biologisch afbreken.
Van der Gucht en Van Lange zijn voorlopig nog niet bezig met praktische toepassingen. Voor hen ligt de grootste winst nu elders. “Dat we hebben laten zien dat materialen met lading zich fundamenteel anders kunnen gedragen dan we dachten, vind ik op dit moment het spannendst,” zegt Van der Gucht. “We begonnen met een materiaal dat volgens de huidige kennis niet kon bestaan en eindigen met nieuwe vragen over hoe materialen zich gedragen. Dat is waar het echte werk nu begint.”