Mechanochromisch materiaal: kleur als signaal van mechanische kracht
Buig een witte plastic liniaal ver genoeg door en je ziet op de plek van de knik een lichte, melkwitte streep verschijnen. Dat is geen verf die loslaat, maar het materiaal zelf dat van kleur verandert onder mechanische spanning. Dit verschijnsel heet mechanochromie: een verandering van kleur die wordt veroorzaakt door kracht, druk, rek of wrijving, in plaats van door hitte (thermochromie) of licht (fotochromie).
Onderzoekers proberen dit toevallige effect om te zetten in iets bruikbaars. Waar de verkleuring van een liniaal een bijverschijnsel van slijtage is, willen wetenschappers materialen ontwerpen die heel gericht en herhaalbaar van kleur veranderen zodra ze worden belast: een verpakking die verkleurt als hij te hard is gevallen, een coating op een brug die scheurtjes zichtbaar maakt voordat ze gevaarlijk worden, of een robothuid die letterlijk kan 'zien' waar ze wordt aangeraakt. Mechanochromisch materiaal is dus in essentie een manier om onzichtbare krachten zichtbaar te maken.
Wat is het precies?
Er bestaan grofweg drie manieren waarop een materiaal van kleur kan veranderen onder mechanische belasting, en het is belangrijk ze uit elkaar te houden omdat de term 'mechanochromisch' ze allemaal omvat.
De eerste is structurele kleur. Dit is geen kleurstof, maar kleur die ontstaat doordat licht wordt gebroken en weerkaatst door piepkleine, regelmatige structuren, kleiner dan de golflengte van licht zelf. Denk aan de blauwe glans van een pauwenveer of een vlindervleugel: die kleur komt niet van pigment, maar van de nanostructuur. Als je zo'n structuur uitrekt, verandert de afstand tussen de laagjes en dus ook de kleur die wordt weerkaatst. Materiaalkundigen bouwen dit principe na in elastische films (elastomeren) met ingebouwde nanolaagjes, zodat rek direct zichtbaar wordt als kleurverschuiving.
De tweede manier werkt via mechanoforen: moleculen die speciaal zijn ontworpen om van vorm te veranderen zodra er aan hen wordt getrokken, op moleculair niveau. Een bekend voorbeeld is spiropyraan, een kleurloze molecuul die bij voldoende trekkracht 'openklapt' tot een gekleurde variant (merocyanine, meestal rood of paars). Worden deze moleculen als kleine schakels in een polymeerketen ingebouwd, dan werkt de hele plastic als een soort ingebouwde alarmlamp: pas als de keten daadwerkelijk mechanisch wordt uitgerekt of dreigt te breken, verschijnt de kleur.
De derde manier is minder elegant maar wijdverbreid: microscheurtjes en witverkleuring, ook wel 'stress whitening' genoemd. Bij veel harde kunststoffen ontstaan onder belasting minuscule scheurtjes of holtes (crazing), die licht op een andere manier verstrooien waardoor het materiaal wit of troebel lijkt. Dit is het mechanisme achter de eerder genoemde plastic liniaal, en het is meestal niet omkeerbaar: eenmaal wit blijft wit.
Sommige onderzoeksmaterialen combineren dit met een tweede, verborgen kleurlaag: de bovenlaag scheurt of delamineert onder druk en onthult een fel gekleurde laag eronder. Dat principe kennen de meeste mensen al van de simpele 'VOID'-stickers op verpakkingen, die bij het lospellen het woord 'GEOPEND' tonen. Onderzoekers proberen ditzelfde idee te verfijnen naar geleidelijke, meetbare kleurverschuivingen in plaats van een simpele aan-uitmelding.
Wat wil men ermee bereiken?
De kernbelofte van mechanochromische materialen is dat ze mechanische informatie omzetten in iets dat je met het blote oog kunt aflezen, zonder sensoren, kabels of stroom nodig te hebben. Dat heeft een paar concrete toepassingsgebieden.
Ten eerste schadedetectie en structurele bewaking. Composietmaterialen in vliegtuigen, windmolenwieken of bruggen kunnen inwendige schade oplopen die van buitenaf niet zichtbaar is. Een coating of coating-laag die op de plek van overbelasting van kleur verandert, kan inspecteurs helpen om potentiële zwakke plekken te vinden voordat er een breuk optreedt.
Ten tweede verpakking en kwaliteitscontrole: een label dat verkleurt als een pakketje met breekbare inhoud te hard is gevallen of geschud, geeft een simpel, niet te vervalsen bewijs van ruwe behandeling tijdens transport.
Ten derde zachte robotica en tastsensoren. Onderzoekers naar 'elektronische huid' willen robots en prothesen een soort tastzin geven. Een mechanochromische huidlaag zou druk zichtbaar kunnen maken als aanvulling op, of alternatief voor, elektronische druksensoren, wat eenvoudiger en goedkoper kan zijn.
Ten vierde beveiliging tegen namaak: sommige mechanochromische verflagen of inkten veranderen van kleur zodra iemand aan een zegel, label of document heeft geknoeid, wat ze aantrekkelijk maakt voor merkbeveiliging.
De gemeenschappelijke drijfveer is dus niet zozeer een nieuw materiaal om zijn eigen zin, maar een goedkope, energievrije manier om mechanische gebeurtenissen te 'loggen' of direct af te lezen.
Voorbeelden uit de praktijk
De onderzoeksgroep van scheikundige Jeffrey Moore en collega's Nancy Sottos en Scott White aan de University of Illinois Urbana-Champaign publiceerde in 2009 een veelgeciteerd werk waarin spiropyraan-mechanoforen in een polymeer werden ingebouwd, zodat het materiaal zichtbaar rood kleurde op precies de plek waar het inwendig werd overbelast. Dit wordt gezien als een van de startpunten van het moderne mechanochemie-onderzoek naar zelfrapporterende materialen.
Materiaalonderzoeker Christoph Weder (verbonden aan het Adolphe Merkle Institute van de Universiteit van Fribourg, Zwitserland) ontwikkelde polymeren met fluorescerende kleurstofmoleculen die 'excimeren' vormen: bij rek verandert de rangschikking van deze moleculen, wat een meetbare verschuiving in de fluorescentiekleur geeft. Dit werk, gepubliceerd in de jaren 2011-2015, wordt vaak genoemd als voorbeeld van mechanochromische rekindicatoren voor kunststof folies.
In China heeft de groep van Ben Zhong Tang, pionier van het zogeheten AIE-effect (aggregation-induced emission, oftewel lichtgevendheid die ontstaat door moleculaire opeenhoping), veel gepubliceerd over organische kristallen die van kleur of lichtgevendheid veranderen simpelweg door ze fijn te wrijven of te pletten. Dit soort 'grinding-induced' mechanochromie wordt vooral onderzocht voor beveiligingsinkten en optische sensoren.
Aan de Universiteit van Cambridge werkt de groep van Silvia Vignolini aan structurele kleur op basis van cellulose-nanokristallen, een duurzaam, plantaardig materiaal. Een deel van dit onderzoek richt zich op flexibele, rekbare films waarvan de structurele kleur verschuift bij vervorming, met als mogelijke toepassing biologisch afbreekbare rek- of druksensoren.
Daarnaast bestaan er, buiten de academische wereld, al langer eenvoudige commerciële toepassingen van stress-whitening en delaminatie-gebaseerde kleurverandering, zoals eerdergenoemde tamper-evident labels en bepaalde botsindicatoren op verpakkingen voor breekbare goederen. Deze zijn technisch eenvoudiger dan de moleculaire mechanoforen uit laboratoria, maar illustreren wel hetzelfde basisprincipe.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen wat al werkt in een laboratorium en wat op grote schaal wordt toegepast. De eenvoudigste vorm van mechanochromie, zoals stress-whitening in kunststoffen en delaminerende tamper-labels, is al decennialang in commercieel gebruik, maar dat is een beperkt, grof signaal: het materiaal is wit of niet, of het label is geopend of niet.
De geavanceerdere, op maat ontworpen varianten met mechanoforen of structurele kleur zitten grotendeels nog in de onderzoeksfase. Belangrijke knelpunten zijn: veel mechanoforen reageren maar één keer en zijn daarna niet meer bruikbaar (niet-omkeerbaar); de kleurverandering is soms lastig te sturen zodat ze precies bij de gewenste kracht optreedt, niet te vroeg en niet te laat; en het inbouwen van deze moleculen mag de mechanische sterkte van het basismateriaal niet te veel verzwakken.
Er wordt gewerkt aan omkeerbare systemen, die na het wegnemen van de kracht weer terugkeren naar hun oorspronkelijke kleur, en aan systemen die meerdere kleurstadia doorlopen zodat ze niet alleen aangeven dát er kracht is uitgeoefend, maar ook ruwweg hoeveel. Deze ontwikkelingen zijn veelbelovend, maar het aantal gedocumenteerde praktijktoepassingen buiten laboratoriumproeven blijft klein. Voor structurele gezondheidsbewaking van bijvoorbeeld bruggen of vliegtuigen bestaan vooralsnog vooral proof-of-concept-studies en pilotprojecten, geen wijdverspreide industriële uitrol.
Kortom: het basisprincipe is wetenschappelijk goed onderbouwd en de eenvoudige varianten zijn al decennia in gebruik, maar de precisie-toepassingen die in nieuwsberichten vaak worden aangehaald, zoals slimme coatings die schade in vroeg stadium signaleren, staan doorgaans nog dichter bij het laboratorium dan bij de bouwplaats.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar mechanochromische materialen is sterk academisch van aard en verspreid over meerdere landen. In de Verenigde Staten is de University of Illinois Urbana-Champaign, met het Beckman Institute for Advanced Science and Technology, een van de bekendste centra voor mechanofoor-onderzoek. In Zwitserland speelt het Adolphe Merkle Institute (Universiteit van Fribourg) een vooraanstaande rol op het gebied van mechanochromische polymeren voor sensortoepassingen.
In het Verenigd Koninkrijk doet de Universiteit van Cambridge onderzoek naar structurele kleur en duurzame, biogebaseerde varianten daarvan. In Azië zijn Chinese universiteiten, waaronder instellingen verbonden aan onderzoekers als Ben Zhong Tang, actief op het gebied van lichtgevende en kleurveranderende organische materialen (AIE-materialen), vaak met het oog op beveiligings- en sensortoepassingen.
Daarnaast houden materiaalbedrijven met een sterke chemische onderzoekstak, zoals grote polymeer- en coatingsproducenten, zich in beperkte mate bezig met stress-indicerende coatings en labels, meestal gericht op logistiek en verpakking. Grootschalige, met naam bekende commerciële producenten van geavanceerde (mechanofoor-gebaseerde) mechanochromische materialen zijn er op dit moment nog nauwelijks; het veld bevindt zich overwegend in de overgang van universitair onderzoek naar eerste toepassingen.