Een elastisch stukje plastic, bijna doormidden gesneden door Amerikaanse onderzoekers, is na een nachtje rust weer helemaal de oude. In die tijd zijn de bindingen tussen de twee helften weer volledig hersteld. En dat zonder het toevoegen van extra chemische stoffen of katalysatoren.
Het elastische zelfhelende polymeer. Met het sneetje duidelijk zichtbaar.
Anne LukemanEen plastic dat een flinke scheur zelf kan herstellen. Meerdere keren achter elkaar. Dat slimme spul is het werk van Amerikaanse onderzoekers van de University of Illinois, onder leiding van hoogleraar materiaalkunde Jianjun Cheng. Ze hopen de chemie waarmee ze hun zelfhelende plastic ontwikkelden, te kunnen gebruiken om bestaande materialen dynamischer te maken. De resultaten verschenen deze week in het tijdschrift Nature Communications.
Met het mes erin
Cheng en zijn collega’s maakte een polymeer door enkele commercieel beschikbare chemische stoffen bij elkaar te mengen. Dat leverde een polyureum op: een ureum bevattend polymeer dat veel verwerkt wordt in consumentenproducten zoals verf en coatings. Ze maakte dit polymeer zelfherstellend door een kleine verandering aan te brengen in de structuur van de moleculen waaruit het polymeer is opgebouwd. Hierdoor zijn de bindingen tussen de moleculen wat langer. Dat maakt dat de moleculen makkelijker uit elkaar te trekken en weer aan elkaar te plakken zijn. Het maakt ze, met andere woorden, dynamisch.
Om het polymeer te testen sneden de onderzoekers het met een scherp mesje bijna doormidden (zie Engelstalige video). Daarna drukten ze de twee helften tegen elkaar aan en lieten het vervolgens een nachtje met rust. Dat was alles: extra chemische stoffen of katalysatoren waren niet nodig. Al was het sneetje de volgende dag nog wel zichtbaar, trekken aan de uiteinden van het stukje polymeer leidde niet tot een nieuwe scheur. Een aanwijzing dat de nieuwe bindingen tussen de twee helften even sterk zijn als de oorspronkelijke bindingen. Bij 37 graden herstelde het polymeer het snelst maar bij kamertemperatuur lukte het ook.
Verwijderbare verf
“De voordelen van het gebruik van dit materiaal is dat er geen katalysator aan te pas komt en dat het zichzelf meerdere keren kan helen”, zegt Cheng. “Het zijn mooie materialen voor interne scheuren. De scheur kan geheeld worden voordat deze verder uitscheurt en er grote problemen ontstaan.”
Dit is niet het eerste zelfhelende plastic wat chemici ontwikkelen. Er is ook al mee geëxperimenteerd in sterke, onbuigzame materialen. De Amerikanen doen het nu met zachtere, elastische materialen. Doordat ze commercieel beschikbare ingrediënten gebruiken is het maken van een zelfhelend polyureum een simpel en vrij goedkoop proces. Dat maakt het makkelijker om tot een fabrieksmatige toepassing te komen.
Dat is dan ook de volgende stap van hun onderzoek: het vinden van een toepassing voor het materiaal. Een idee is bijvoorbeeld om van het dynamische polymeer een coating of verf te maken die na aanbrengen ook weer te verwijderen is. “Soms is het niet nodig dat een coating permanent blijft zitten en wil je dat deze verwijderbaar is. Deze chemie kan toegepast worden op bestaande coatings om ze omkeerbaar te maken”, aldus Cheng.
Bronnen:
- Hanze Ying e.a., Dynamic urea bond for the design of reversible and self-healing polymers, Nature Communications. Online publicatie op 4 februari 2014. doi:10.1038/ncomms4218
- Persbericht van de Universiteit van Illinois, 4 febrauri 2014.