Materiaalkunde: de wetenschap achter sterkere, lichtere en slimmere materialen
Stel je een bakker voor die niet alleen recepten volgt, maar ook precies weet waarom deeg rijst, waarom boter een taart luchtig maakt en hoe je door de verhouding bloem en water aan te passen een heel ander brood krijgt. Materiaalkundigen doen iets vergelijkbaars, maar dan met metalen, kunststoffen, keramiek en steeds vaker ook met stoffen die nog niet eerder hebben bestaan. Ze onderzoeken waarom materialen zich gedragen zoals ze doen, en gebruiken die kennis om nieuwe materialen te ontwerpen met precies de eigenschappen die je nodig hebt: sterker, lichter, geleidender of juist beter isolerend.
Materiaalkunde is het vakgebied dat de link legt tussen de kleinste bouwstenen van stof, atomen en moleculen, en de eigenschappen die we in het dagelijks leven ervaren, zoals hardheid, flexibiliteit of kleur. Een stuk staal en een stuk aluminium bestaan allebei uit atomen die dicht opeengepakt zijn, maar de manier waarop die atomen zijn gerangschikt en met elkaar reageren bepaalt of iets buigzaam is of juist breekt. Door die rangschikking te begrijpen en te sturen, kunnen wetenschappers materialen op maat maken voor toepassingen van vliegtuigmotoren tot medische implantaten.
Wat is het precies?
Materiaalkunde combineert natuurkunde, scheikunde en werktuigbouwkunde om te begrijpen hoe de structuur van een materiaal, van atomair niveau tot de zichtbare vorm, de eigenschappen bepaalt. Onderzoekers kijken naar meerdere schaalniveaus tegelijk: de rangschikking van atomen (kristalstructuur), de opbouw van korrels binnen een metaal (microstructuur), en de uiteindelijke vorm van een onderdeel (macrostructuur).
Een centraal concept is de kristalstructuur: veel vaste stoffen bestaan uit atomen die zich in een herhalend, geordend patroon rangschikken, vergelijkbaar met een driedimensionaal rooster. De manier waarop dat rooster is opgebouwd, en waar er kleine onregelmatigheden in zitten, zogeheten defecten, bepaalt in grote mate of een materiaal sterk, taai of juist bros is. Materiaalkundigen leren deze defecten soms juist te benutten in plaats van te vermijden.
Legeringen zijn mengsels van metalen, soms met kleine hoeveelheden andere elementen, die eigenschappen combineren die de losse metalen niet hebben. Staal is bijvoorbeeld een legering van ijzer met een klein beetje koolstof, waardoor het veel sterker wordt dan zuiver ijzer. Composieten gaan een stap verder: dit zijn materialen die uit twee heel verschillende bestanddelen bestaan, zoals koolstofvezel in een kunststofmatrix, waardoor je de sterkte van vezels combineert met de vormbaarheid van kunststof.
De laatste decennia is nanomaterialenonderzoek een belangrijk deelgebied geworden. Dit betreft materialen waarvan de structuur wordt gecontroleerd op de schaal van nanometers, een miljoenste van een millimeter. Op die schaal gedragen materialen zich soms compleet anders dan in bulkvorm: goud is bijvoorbeeld niet meer geel maar rood of paars als het in nanodeeltjes wordt verwerkt, en koolstof kan in de vorm van een enkele atoomlaag, grafeen genaamd, extreem sterk en geleidend zijn.
Om nieuwe materialen te ontwikkelen, doorlopen onderzoekers meestal een cyclus van ontwerpen, synthetiseren (maken), karakteriseren (met microscopen en andere apparatuur bekijken wat er precies is ontstaan) en testen (mechanische, elektrische of chemische eigenschappen meten). Steeds vaker wordt deze cyclus versneld met computersimulaties en machine learning, waarbij software voorspelt welke combinaties van elementen interessante eigenschappen zouden kunnen opleveren, nog voordat iemand iets in het lab maakt.
Wat wil men ermee bereiken?
Een groot deel van het materiaalkundig onderzoek is gericht op de energietransitie. Dit omvat batterijen met een hogere energiedichtheid (meer energie per kilogram), goedkopere en efficiëntere zonnecellen, en materialen die waterstof veilig kunnen opslaan. Zonder betere materialen blijven veel duurzame technologieën te duur of te beperkt om op grote schaal te worden ingezet.
Ook lichtgewicht, sterke materialen staan hoog op de agenda, vooral in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. Elke kilo die uit een vliegtuig verdwijnt, bespaart brandstof over de hele levensduur van het toestel. Composieten en nieuwe legeringen helpen om onderdelen lichter te maken zonder aan sterkte in te boeten.
Duurzaamheid en circulariteit vormen een derde belangrijk doel: materialen die makkelijker te recyclen zijn, minder zeldzame grondstoffen bevatten, of langer meegaan zodat er minder vervangen hoeft te worden. Sommige onderzoeksgroepen werken aan zogeheten self-healing materialen, die kleine scheurtjes automatisch kunnen herstellen voordat er grotere schade ontstaat.
In de halfgeleiderindustrie draait materiaalonderzoek om steeds kleinere en efficiëntere chips, terwijl onderzoekers in de biomedische sector werken aan implantaten en weefselvervangers die het lichaam niet afstoot en die soms zelfs met het lichaam meegroeien of afbreken zodra ze niet meer nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Grafeen (Manchester, 2004). Natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov van de University of Manchester isoleerden in 2004 voor het eerst grafeen: een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een honingraatpatroon. Het materiaal is extreem sterk, licht en geleidt elektriciteit uitstekend. De ontdekking leverde hen in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde op, en sindsdien wordt wereldwijd onderzocht hoe grafeen praktisch inzetbaar kan worden in bijvoorbeeld batterijen, sensoren en composietmaterialen.
Vaste-stofbatterijen. Bedrijven als Toyota en het Amerikaanse QuantumScape ontwikkelen batterijen waarin de vloeibare elektrolyt, de stof die ionen tussen de elektroden transporteert, wordt vervangen door een vast materiaal. Dit belooft een hogere energiedichtheid en minder brandgevaar dan gangbare lithium-ionbatterijen. Toyota heeft aangekondigd dit type batterij in de tweede helft van de jaren 2020 in elektrische auto's te willen inzetten, al zijn eerdere tijdlijnen al meermaals opgeschoven.
Metal-organic frameworks (MOF's) voor CO2-afvang. MOF's zijn poreuze kristallijne materialen, opgebouwd uit metaalionen verbonden door organische moleculen, met een enorm inwendig oppervlak per gram materiaal. Onderzoeksgroepen wereldwijd, waaronder aan de UC Berkeley, onderzoeken MOF's om CO2 selectief uit rookgassen of zelfs uit de buitenlucht te filteren. De technologie wordt getest in pilotinstallaties, maar grootschalige toepassing staat nog in de kinderschoenen.
3D-geprinte titanium in de luchtvaart. Bedrijven als GE Aviation en Airbus gebruiken al langer 3D-printtechnieken, ook wel additive manufacturing genoemd, om complexe titanium onderdelen te maken die met traditionele technieken niet of moeilijk te fabriceren zijn. Dit bespaart materiaal en gewicht, omdat onderdelen alleen daar materiaal krijgen waar dat structureel nodig is.
High-entropy alloys. Sinds het begin van de jaren 2000 onderzoeken materiaalkundigen legeringen die niet uit één hoofdmetaal met kleine toevoegingen bestaan, maar uit vijf of meer elementen in ongeveer gelijke hoeveelheden. Deze zogeheten high-entropy alloys vertonen soms onverwacht goede combinaties van sterkte, hittebestendigheid en corrosiebestendigheid, en worden onder meer onderzocht voor toepassing in turbinebladen en kernreactoronderdelen.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelsnelheid verschilt sterk per deelgebied. Grafeen is inmiddels ruim twintig jaar bekend, maar grootschalige, goedkope toepassing blijft lastig: het produceren van grafeen van hoge kwaliteit op industriële schaal is nog altijd duur en technisch uitdagend, waardoor de meeste toepassingen zich nog in onderzoeks- of nichefase bevinden.
Vaste-stofbatterijen worden al jaren als veelbelovend bestempeld, maar de introductie op grote schaal is herhaaldelijk uitgesteld. De technologie werkt in het laboratorium, maar opschalen naar betrouwbare, betaalbare massaproductie blijkt telkens moeilijker dan verwacht, onder meer door uitdagingen met de levensduur en productiekosten van het vaste elektrolytmateriaal.
MOF's voor CO2-afvang bevinden zich typisch nog in de fase van pilotprojecten en laboratoriumopschaling; commerciële toepassing op grote schaal is er nog niet, mede omdat de kosten per ton afgevangen CO2 nog te hoog liggen om breed te concurreren met andere afvangmethoden.
3D-printen van metalen onderdelen is al operationeel in de lucht- en ruimtevaart en de medische sector, denk aan op maat gemaakte heupimplantaten, al blijft het voor veel toepassingen nog duurder dan traditionele productiemethoden en is de certificering van geprinte onderdelen voor kritieke toepassingen een tijdrovend proces.
Een terugkerend obstakel in het hele veld is de kloof tussen een veelbelovend labresultaat en een betaalbaar, betrouwbaar product op industriële schaal. Nieuwe materialen moeten niet alleen goede eigenschappen hebben, maar ook reproduceerbaar en goedkoop te maken zijn, en vaak ontbreken cruciale gegevens over hun langetermijngedrag totdat ze jarenlang in de praktijk zijn getest.
Wie werken eraan?
Materiaalkundig onderzoek is sterk internationaal verspreid. In Nederland doen onder meer de TU Delft, de TU Eindhoven en de Rijksuniversiteit Groningen belangrijk onderzoek, evenals het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, dat zich onder meer richt op nanomaterialen en materialen voor energietoepassingen.
Internationaal behoren het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het Duitse Max Planck Institute for Solid State Research en de Duitse Fraunhofer-instituten tot de vooraanstaande onderzoeksorganisaties. Ook Aziatische landen, met name China, Zuid-Korea en Japan, investeren zwaar in materiaalonderzoek, deels gedreven door de halfgeleider- en batterij-industrie.
Op bedrijfsniveau lopen grote industriële spelers als Toyota, GE Aviation, Airbus en chipmakers als TSMC en ASML voorop in toegepast materiaalonderzoek, vaak in nauwe samenwerking met universiteiten. Daarnaast zijn er tientallen gespecialiseerde start-ups, zoals QuantumScape op het gebied van batterijen, die met durfkapitaal specifieke materiaaltoepassingen naar de markt proberen te brengen.