Stroming reversibele polymeren onthult rare eigenschappen

Wie kent niet het wonderlijke sillyputty, dat al jarenlang zowel kinderen als volwassenen verbaasd doet staan. Als je er een balletje van maakt en dat hard tegen een muur gooit, stuitert het volkomen elastisch met dezelfde snelheid terug, maar als je er langzaam aan trekt kun je het gemakkelijk vervormen en er zelfs draden van trekken.

Het is een extreem voorbeeld van een visco-elastisch materiaal, dat zich - afhankelijk van de deformatiesnelheid -zowel als een vaste stof of bijna als een vloeistof kan gedragen.

In zekere zin vertonen alle langgerekte moleculen een soortgelijk visco-elastisch gedrag, zij het dan meestal in veel mindere mate. Dat komt omdat de molecuulketens als spaghettislierten verknoopt zitten. Naast de lengte is echter ook de moleculaire structuur van groot belang, omdat deze mede bepaalt in welke mate de individuele ketens elkaar aantrekken. Zo vormen de zeepachtige moleculen in sommige shampoos grotere - supramoleculaire - structuren, die er voor zorgen dat de shampoo niet als een dunne vloeistof uit de fles komt en door de vingers loopt. Tegelijkertijd blijft het echter wel mogelijk om deze door wrijven gelijkmatig te verdelen. Maar het is een subtiel samenspel dat in de praktijk ook tot grote problemen kan leiden, bijvoorbeeld bij de verwerking van plastics.

Het stromingsgedrag van 'zachte materialen' vormt dan ook een bijzonder boeiend maar ook ingewikkeld onderzoeksterrein. En hoewel het begrip de laatste twintig jaar sterk is toegenomen, blijft het van belang om theoretische voorspellingen te kunnen toetsen. Helaas zijn geschikte modelsystemen schaars: het is moeilijk een balans te vinden tussen enerzijds een voldoende sterke interactie, die anderzijds ook weer niet permanent mag zijn.

Chemici van de Technische Universiteit Eindhoven en het onderzoekslaboratorium van DSM kwamen onlangs zo'n modelsysteem op het spoor (Science, 28 november). In de groep van Bert Meijer ontdekte men dat moleculen afgeleid van het 2-ureido-4-pyrimidon in oplossing paren vormen - zogeheten dimeren - doordat ze elkaar aantrekken met niet minder dan vier waterstofbruggen. Het slimme idee was nu twee van dergelijke groepen door middel van een tussenstuk aan elkaar te zetten. Zo ontstond een nieuw molecuul, dat in een oplossing spontaan langgerekte ketens vormt doordat de moleculen kop-staart verbindingen gaan maken.

De zo verkregen oplossingen beschikten over opvallende stromingseigenschappen, die bovendien sterk afhankelijk bleken te zijn van de temperatuur en de concentratie. Wanneer drie pyrimidon-groepen met elkaar werden verbonden, konden zelfs polymere netwerken worden gevormd. De verwachting is dat door de tussenstukken én de functionele groepen chemisch te modificeren de viscositeit (stroperigheid) en architectuur van deze 'reversibele polymeren' op een gecontroleerde manier kunnen worden gestuurd. Daarmee zou in één klap aan veel theoretische speculaties een eind kunnen worden gemaakt.

    • Rob van den Berg