materiaal

De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal

Grafeen: lichter dan water en zo sterk als diamant

1 reactie / Ideeën en techniek / Door / 5 mei 2011

Het was al langer bekend dat grafeen een zeer sterk en licht materiaal is. Nu hebben Chinese onderzoekers ontdekt hoe de eigenschappen van grafeen nauwkeurig zijn in te stellen. Met hun nieuwe model kunnen ook de eigenschappen van grote stukken grafeen nauwkeurig worden berekend.

Grafeen als wondermateriaal
Grafeen lijkt op een soort kippengaas, bestaande uit een atoomdikke laag koolstofatomen. Grafiet (bekend van zachte potloden) bestaat uit laagjes grafeen. Het materiaal is extreem sterk, maar de laagjes glijden onderling gemakkelijk.

Op dit moment is het nog niet mogelijk grote stukken grafeen te maken, maar lukt dat, dan ontstaat een materiaal dat alle bekende materialen in kracht overtreft en tegelijkertijd zeer licht is.

Eigenschappen grafeen aan te passen

De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal
De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal

En er is nog meer goed nieuws. Het is mogelijk de treksterkte exact aan te passen door de onderlinge dwarsverbindingen van de laagjes grafeen aan te passen. Nu is het dus mogelijk om de eigenschappen van grafeen (en andere materialen die uit atoomdikke laagjes bestaan) precies zo te berekenen en aan te passen als gewenst.

De onderzoekers berekenden dat als ze extra dwarsverbindingen aan grafeen toevoegen, het materiaal ook veel luchtiger en twee keer lichter wordt dan standaard grafiet. Dit zou het materiaal voor bijvoorbeeld vliegtuigbouwers uiteraard zeer interessant maken. Het brandstofverbruik van een vliegtuig hangt rechtstreeks samen met het gewicht. Ook andere vervoermiddelen zoals auto’s en -vooral- ruimtevaartuigen, waarbij elke kilogram telt, zullen qua energieverbruik sterk profiteren van lichte, sterke materialen.

Grafeen als vervanger voor de meeste metalen
De mogelijkheden en implicaties hiervan zijn in principe enorm. Grafiet zal een zeer waardevolle grondstof worden, het belang van structurele metalen zal afnemen (al zullen ze belangrijk blijven als elektrische geleider). Zodra onderzoekers er in slagen om grafeen rechtstreeks te produceren, betekent dit dat er werkelijk eindeloze voorraden bouwmateriaal zijn, want koolstofatomen (waar grafeen uit bestaat) komen op aarde zeer veel voor. Met voldoende energie breekt dan een tijdperk van overvloed aan. De enige beperkende factor wordt dan het voorkomen van milieubelasting.

Bronnen
MIT Technology Review: Arxiv blog: How To Make Graphene Paper
Mechanical properties of graphene paper

De groeiende kristallen hexadecaan drukken de grafietvlokken (de zwarte massa) op elkaar. Bron: MIT

Zelfregelend materiaal ontdekt

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 29 april 2011

Uitvinders opgelet. Van een nieuw materiaal kan zowel de elektrische weerstand als de mate van warmtegeleiding veranderen door de omgevingstemperatuur te veranderen. Onderzoekers komen nu al met tal van ideeën.

Wat de onderzoekers in feite deden was het laten zweven van kleine vlokjes van een materiaal in een vloeistof die, net als water, vormen kristallen als het stolt. Voor hun eerste experimenten gebruikten ze schilfers van grafiet, gesuspendeerd in vloeibaar hexadecaan (een stroperig olieachtig goedje dat chemisch veel weg heeft van het belangrijkste benzinebestanddeel octaan, maar dan een twee keer zo lang molecuul), maar dit proces werkt ook in combinaties van andere materialen.

De groeiende kristallen hexadecaan drukken de grafietvlokken (de zwarte massa) op elkaar. Bron: MIT
De groeiende kristallen hexadecaan drukken de grafietvlokken (de zwarte massa) op elkaar. Bron: MIT

Als het hexadecaan stolt, worden de vlokjes grafiet samengeperst door het uitzettende materiaal. Daardoor worden ze veel geleidender. Omgekeerd verdwijnt de druk als het hexadecaan weer smelt, raken de vlokjes van elkaar verwijderd en wordt met materiaal minder geleidend.

Hexadecaan heeft een smeltpunt dicht bij kamertemperatuur – uitstekend geschikt om te gebruiken binnenshuis, dus  – maar het principe kan ook voor andere materialen met hogere of lagere smeltpunten worden gebruikt. Het grote voordeel van dit systeem is dat er geen bewegende delen zijn en er geen storingsgevoelig high-tech systeem meer nodig is voor bepaalde toepassingen.

Een simpele (maar al bestaande) toepassing is bijvoorbeeld een thermostaat. Zodra de vloeistof stolt, geleidt het materiaal honderd keer zo goed stroom en kan deze stroom de verwarmingsketel aanschakelen. De onderzoekers denken zelf aan zekeringen (die de stroom onderbreken als de stroom te hoog wordt). Je kan ook denken aan hittebatterijen en dergelijke. De warmtebrug wordt zo gesloten als de temperatuur van een bepaald hittereservoir een bepaalde drempelwaarde overschrijdt. Er bestaat al langer stroomonderbrekers die gebruik maken van de uitzetting van metaal. Dit is voor zover bekend het eerste systeem dat zowel de warmtegeleiding als de stroomgeleiding aanpast aan de hand van verandering in temperatuur.

Bronnen
Ruiting Zheng et al.,Reversible temperature regulation of electrical and thermal conductivity using liquid–solid phase transitions (2010), Nature Communications
MIT News

Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.

Chemici fabriceren “onmogelijk” materiaal

3 reacties / Wetenschap / Door / 26 april 2011

Poreus hydrosilica zou volgens de gevestigde theorie uiteenvallen in een stabiele vorm. Bij een experiment werd het tegendeel aangetoond. Ook grafeen, de atoomdikke laagjes grafiet die op dit moment erg hot zijn, werden ooit als “onmogelijk” beschouwd…

Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.
Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.
‘Onmogelijk’ blijkt toch mogelijk
Wie ooit op een warme dag met blote voeten over het strand loopt, heeft al intiem kennis gemaakt met de meest voorkomende vorm van siliciumoxide. Zand bestaat voor het grootste deel uit kwarts (siliciumdioxide); een zeer hard, dicht materiaal dat een groot deel van de aardkorst uitmaakt. Er bestaan echter ook andere soorten siliciumoxide. Zo is er periodiek mesoporeus hydrosilica – een materiaal waarin naast silicium en zuurstof, ook waterstofatomen voorkomen en dat ongeveer voor de helft van het volume uit lege ruimte bestaat. De stof ziet er op atoomniveau uit als een soort heel lange honingraat – zeshoekige buizen die in een honingraatstructuur gepakt zijn.

Onmogelijk, zeggen traditioneel scheikundige theorieën. De stof zou vrijwel direct samenklappen tot een dichte vorm van hydrosilica, waarin de holtes verdwijnen zodra de hulpstof (die de holtes openhoudt) uit het rooster verdwijnt. In een experiment bleken de holtes echter intact te blijven. Dit heeft, denken de onderzoekers, te maken met de aanwezigheid van de waterstofatomen, die waterstofbruggen vormen en zo de holtes stabiliseren.

Vanwege de bizarre chemische eigenschappen van de holtes binnen het materiaal denken scheikundigen dat er wel eens veel compleet nieuwe moleculen en materialen kunnen worden gefabriceerd met behulp van de stof, die tot nu toe ondenkbaar werden geacht. Kortom: het ene “onmogelijke” materiaal komt zo mogelijk voort uit het andere.

“Onmogelijk” materiaal verandert in lichtbron
Als de temperatuur tot boven de driehonderd graden wordt gebracht, ondergaat het materiaal een “metamorfe” transformatie. Als gevolg hiervan ontstaat een materiaal met een gecompliceerde nanostructuur,waarbij het silicium-silicaatsubstraat dicht bezaaid is met kleine, helder oplichtende, regelmatig verdeelde  fotoluminescente nanokristallen: nanodots, een soort kunstmatige atomen vormen. De nanokristallen kunnen denken de onderzoekers waarschijnlijk worden gebruikt als LED, in zonnecellen en/of als biologische sensors.

Bronnen
Journal of the American Chemical Society
PhysOrg

Zelf herstellende laag onder invloed van UV-licht

1 reactie / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 18 januari 2012

In de uitgave van Nature van 21 april 2011 is een artikel gepubliceerd waarin wetenschappers van universiteit van Friborg (Zwitserland) aangeven erin geslaagd te zijn een zelf herstellende laag te produceren. Hoewel de gebruikte polymeren nog niet geschikt zijn voor commerciële doeleinden, is wel bewezen dat het werkt.

Licht is veel preciezer te gebruiken dan bijvoorbeeld warmte
Licht is veel preciezer te gebruiken dan bijvoorbeeld warmte

De moleculen zijn dusdanig ontworpen dat het voor materialen mogelijk wordt om hun eigenschappen aan te passen onder invloed van hoge hoeveelheden ultraviolet licht, aldus professor Christoph Weder. Conventionele polymeren bestaan uit lange moleculen die soms uit duizenden atomen bestaan. Dit nieuwe materiaal is zo ontworpen dat het bestaat uit kleinere moleculen met daartussen een metaal ionen die als soort lijm fungeren. Op deze manier ontstaat er een zogenaamde ‘metallo-supramolecular polymer’ die qua functionaliteit veel weg heeft van de conventionele polymeren.

Een verschil is, dat als het materiaal korte tijd aan sterk ultraviolet licht wordt blootgesteld de ‘lijm’ tijdelijk niet meer werkt. Zo wordt het materiaal tijdelijk vloeibaar, waardoor het zichzelf weer kan herstructureren. In het geval van een beschadiging kan deze zo op een effectieve manier worden verholpen.

Als toepassingsmogelijkheid wordt er als eerste gedacht aan de autoverf industrie en het vernis voor onder andere vloeren, maar allicht is het in de toekomst mogelijk om het concept in andere industrieën toe te passen. Daarbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan zelf herstellende touch-screens of zonnepanelen (erg handig voor gebruik in de ruimte).

Bron: Aldolphe Merkle Institue

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Glas smelt bij het absolute nulpunt

21 reacties / Wetenschap / Door / 4 februari 2011

Onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit denken op grond van een berekening dat het mogelijk is om met het nulpuntsenergie-effect  glas te doen smelten bij nul kelvin. Gewoonlijk vereist het smelten van glas temperaturen van vele honderden graden. Wat is hier aan de hand?

Wat is glas?
Vensterglas is de bekendste vertegenwoordiger van een groep stoffen die alle hetzelfde kenmerk gemeen hebben: het zijn als het ware bevroren vloeistoffen.

Glas is in feite een gestolde vloeistof.
Glas is in feite een gestolde vloeistof.

De atomen in een glas zitten niet in een kristalrooster, zoals andere vaste stoffen, maar liggen lukraak door elkaar heen, zo sterk afgekoeld dat ze in hun beweging zijn bevroren. Stoffen met een dergelijke structuur worden dan ook glazen genoemd.

Ook water kan een glas vormen als het extreem snel wordt ingevroren. Bij het invriezen van menselijke weefsels gebeurt dat. Als het invriezen langzamer gaat, vormen zich namelijk ijskristallen die de celwanden lek prikken.

Dus in feite zitten er plakken stroperige vloeistof in je ramen. (OK, het verhaal is iets ingewikkelder). Vroeger werd gedacht dat de verdikking die je in veel middeleeuwse ruiten onder aantreft een gevolg is van het langzaam stromen van glas, maar nu weten we dat de viscositeit (stroperigheid) van glas op kamertemperatuur zo extreem hoog is dat dit effect pas na vele miljoenen tot miljarden jaren merkbaar is. Laten we hopen dat de mensheid het zo lang uithoudt…

Nulpuntsenergie
Er bestaat in de natuur een fundamentele onzekerheid, de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. We kunnen bijvoorbeeld niet tegelijkertijd de plaats en de snelheid van een deeltje exact weten. De onzekerheid is altijd groter dan de constante van Planck, 6,26 * 10-34 Joule seconde. Dit ligt niet aan onze slechte instrumenten, integendeel. Deze onzekerheidsrelatie is misschien wel het fundamenteelste wat we in de natuur kennen.

Hoe extreem klein deze waarde ook is, op een miljoenste graad kelvin boven het absolute nulpunt gaat dit effect een enorme rol spelen. We weten bij deze temperatuur de energie van een atoom heel precies, namelijk ongeveer nul. De ijzeren onzekerheidsrelatie van Heisenberg dicteert nu dat de plaats van het atoom erg onzeker wordt. Het atoom verandert in een wazige wolk die steeds meer naburige atomen gaat overlappen. Wat eerst een bevroren vloeistof was gaat daardoor steeds meer lijken op een echte vloeistof. En dit is precies wat het team onderzoekers van de Tel Aviv universiteit stelt.

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.
Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Kunnen smeltovens afgeschaft worden?
Helaas. De grondstoffen voor glazen bestaan uit kristalvormende vaste stoffen. De bindingsenergie van kristallen, zeker die in de uitgangsstoffen voor vensterglas, is meestal enorm hoog. Die kan alleen verbroken worden door ze voldoende te verhitten, in het geval van silicaatglas (vensterglas) aanmerkelijk boven de duizend graden Celsius. Koelen helpt hier niet.

Wel is voor glasbewerking deze techniek heel interessant. Als het belangrijk is een glasoppervlak heel precies te hechten aan een ander materiaal bijvoorbeeld. Het kwantumglas kruipt dan in alle holtes. Dit is vooral interessant voor zeer gevoelige materialen die verhitting niet overleven. Je zou bij wijze van spreken een levend wezen in glas kunnen inbedden. Kortom: een heel nieuw technisch domein waaruit wel eens producten voort kunnen komen die we ons eerder nog niet voor konden stellen…