Zo slim als beton; Intelligente materialen herstellen zichzelf en veranderen van kleur als ze dreigen te breken

De belangstelling voor intelligente materialen - materialen die reageren op veranderingen in hun omgeving - groeit. Dit jaar zijn er al twee grote internationale conferenties aan gewijd, een in het Japanse Tsukuba en een in Glasgow in Schotland. Op zich al een unicum, want bij intelligente materialen gaat het om onderling sterk verschillende toepassingen. Sommige van deze materialen fungeren als sensoren; ze zijn gevoelig voor druk, zuurgraad of temperatuur. Materialen die van vorm veranderen, worden actuatoren genoemd.

Soms beschikt het materiaal zélf over die eigenschappen, soms moeten ze worden toegevoegd. "Het idee van intelligente materialen is dat ze niet rigide zijn, maar juist over een grote flexibiliteit beschikken', zegt Alaster McDonach van het Smart Structures Research Institute van de Universiteit van Strathclyde (Schotland).

Hoewel de meeste toepassingen nog in de kinderschoenen staan - belangrijke onderzoekscentra op dit gebied zijn Virginia Polytechnic, het Florida Institute of Technology, Martin Marietta, ICI en NASA - schat het Amerikaanse marktanalysebureau Industrial Resource Development (IRD ) de markt voor intelligente materialen op ruim 400 miljoen dollar in het jaar 2000.

Het oudste en ook bekendste intelligente materiaal is zonder twijfel het geheugenmetaal. Deze nikkel-titanium legeringen, die al vele jaren gebruikt worden voor het koppelen van pijpen of assen, komen voor in twee kristalvormen (austeniet en martensiet) en kunnen door temperatuursveranderingen reversibel van de ene in de andere structuur overgaan. Als martensiet opgerekt metaal zal onder verwarming tot austeniet krimpen. Geheugenmetaal heeft al talloze toepassingen gevonden; er zijn botklemmen, bustehouders en mistlampen met een vormgeheugen. De nieuwste trend is nikkel-titanium legeringen in te bedden in composieten, zodat de stijfheid of de vorm van dit materiaal veranderd kan worden. Ook wordt deze technologie steeds vaker gebruikt voor de demping van vibraties in bijvoorbeeld onderzeeërs, propellorvliegtuigen en rotorbladen van helikopters.

Voor de nieuwste toepassingen geldt dat zij het onderzoekstadium nog nauwelijks ontgroeid zijn. Toch stond het Smart Structures Research Institute eerder dit jaar niet met lege handen op haar conferentie in Glasgow: trots demonstreerde directeur Peter Gardiner een intelligent klimtouw, dat zwart kleurt als er breuken optreden.

Op het touw, dat nog dit jaar door touwenfabrikant Cairngorm Climing Rope op de markt zal worden gebracht, is een (voorlopig) geheime kleurstof aangebracht. McDonach (SSRI): "Fabrikanten in de EG moeten in de nabije toekomst kunnen aantonen hoe veilig hun produkten zijn. Bij touwen gaat dat wat moeilijk. Eigenlijk merk je pas bij het gebruik ervan of ze sterk genoeg zijn. Touwen krijgen veel opdonders. Bergbeklimmers laten zich tegenwoordig vaak opzettelijk vallen.'

De Schotse onderzoekers willen de kleurstof ook in plastic verwerken, zodat men straks tijdig gewaarschuwd wordt als de boodschappentas het dreigt te begeven.

Lichaamswarmte

Materialen die van kleur veranderen lenen zich ook voor toepassingen in de textiel-industrie. Vorig jaar werden in Londen ter gelegenheid van een jubileum van de Royal Society of Chemistry kleren gedemonstreerd die op lichaamswarmte reageren. De stoffen, ontworpen door Frances Slater samen met het chemiebedrijf Merck uit het Engelse Poole, kleuren rood als de temperatuur 28 graden Celsius bereikt en blauw als de temperatuur boven de 33 graden Celsius uitkomt.

In de harsachtige inkt zijn themotrope vloeibare kristallen verwerkt. Deze wonderlijke verbindingen, die wijd en zijd bekend zijn door hun toepassing in displays van digitale horloges en draagbare computers, vertonen zowel eigenschappen van een vloeistof als van een kristal. Bij lage temperatuur zorgt de gelijkgerichte oriëntatie van de moleculen voor verstrooiing van het licht, bij hogere temperaturen wordt het materiaal door de willekeurige oriëntatie van de moleculen transparant. Thermochromische kleurstoffen zijn in de industrie met name geschikt voor het meten van warmte in turbines of in chemische processen.

Voor de inspectie van materialen worden vloeibare kristallen zelden gebruikt. Om de materiaaleigenschappen van bijvoorbeeld deuren of vliegtuigvleugels te controleren, worden superdunne glasvezels ingebed in lage-temperatuur composietmaterialen. Door licht door deze vezels te sturen, kan men controleren of het materiaal nog steeds de gewenste sterkte heeft. Op plekken waar scheuren ontstaan, zal de lichtintensiteit namelijk variëren. In de huidmaterialen van G2 Systems Corp. kunnen de grootte en plaats van de krachten die op de compositiethuid werken met behulp van reflectometers heel precies bepaald worden. Vliegtuigfabrikanten als Boeing en McDonnell Douglas zijn geïnteresseerd in deze technologie. Het langdurig inspecteren van materialen op scheurvorming met ultrasoon geluid behoort dan tot het verleden. Sensoren van optische vezels vindt men reeds in de F-25 gevechtsvliegtuigen van de Wright Patterson Air Force Base, maar de technologie zou ook kunnen worden gebruikt voor het controleren van scheuren in turbineschepen.

Herstellen

Een even grote uitdaging is om materialen te ontwikkelen die hun eigen gebreken kunnen herstellen. Hiervoor komen eigenlijk alleen materialen in aanmerking met zogeheten elektro-rheologische eigenschappen. Dit kunnen piëzoelektrische materialen zijn, maar ook ER-vloeistoffen: suspensies van hydrofiele (water aantrekkende) deeltjes in een hydrofobe (waterafstotende) vloeistof. De belangrijkste eigenschap van ER-vloeistoffen is dat hun viscositeit verandert als ze worden blootgesteld aan een elektrostatisch veld. Sommige vloeistoffen verharden dan tot een dikke brij. Een probleem is dat de thans beschikbare vloeistoffen over het algemeen slecht functioneren bij extreem hoge temperaturen en er vaak zeer hoge voltages nodig zijn voor de viscositeitsveranderingen.

Aan het MIT in Boston is enkele jaren geleden een gel ontwikkeld bestaande uit N-isopropylacrylamide gecombineerd met een chromofoor (natriumzout van kopercholorphylline) dat reageert op licht. In het donker zwelt dit materiaal op, terwijl het onder invloed van licht als een soort kunstmatige spier weer ineenschrompelt. Niet altijd zijn deze veranderingen overigens reversibel.

Voor het "intelligente beton' dat Carolyn Dry aan de Universiteit van Illinois heeft ontwikkeld wordt weer een andere techniek gebruikt. Het beton bestaat uit polypropyleenbuisjes die gevuld zijn met het anti-corrosiemiddel caliumnitriet en zijn afgesloten met polyol (een polymeer dat in water oplost). Als door alkalische omstandigheden corrosie optreedt, lost het polyol op en stroomt het calciumnitriet automatisch uit de buisjes. Scheurvorming kan worden tegengegaan door de vezels te vullen met een lijmachtig materiaal dat ook weer automatisch naar buiten stroomt. Huizen van intelligent beton storten na een aardbeving niet meteen in.

Het SSRI voorziet een toenemend gebruik van intelligente materialen. Vorig jaar nog heeft het instituut studenten van de Glasgow School of Art gevraagd om nieuwe toepassingen voor intelligente materialen te bedenken. De ideeën varieerden van ramen die de toename van koolstofdioxide in de lucht kunnen meten tot wegen die van kleur veranderen als ze glad worden. Toch zal grootschalige adaptatie van intelligente materialen nog wel even op zich laten wachten. Allaster McDonach (SSRI): "De industrie zal pas geïntereseerd raken wanneer nieuwe technieken vergeleken met bestaande methoden aanzienlijke besparingen opleveren.'