Van breuken in zelfhelend rubber is niets meer te zien

Een nieuw rubberachtig materiaal smeedt zichzelf weer aaneen als gebroken delen een kwartier tegen elkaar aan worden gehouden. Wetenschappers van de Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles in Parijs tonen spectaculaire foto's van een veterdik stukje van het nieuwe rubber. Ze snijden het door en houden het tegen elkaar. Op het geheelde resultaat valt van de schade geen spoor meer te bespeuren en het is bovendien net zo rekbaar als het origineel. De auteurs weten één toepassing voor hun materiaal te noemen: kinderspeelgoed dat na een breuk weer makkelijk gemaakt kan worden (Nature, 21 februari).

De ogenschijnlijke goocheltruc werkt bij kamertemperatuur. Het zelfhelende vermogen gaat pas geheel verloren als de uiteinden een week van elkaar gescheiden blijven.

Bert Meijer, universiteitshoogleraar macromoleculaire en organische chemie aan de TU Eindhoven, spreekt van een zeer elegant experiment. Conventioneel rubber bestaat uit een netwerk van langgerekte moleculen die elk zijn opgebouwd uit kleinere repeterende eenheden: monomeren. Die monomeren zijn verbonden in een netwerk van lange ketens (polymeren). De sterke bindingen daarin zijn covalent: atomen delen een elektronenpaar. Rubber kan uitrekken tot wel vijf keer zijn oorspronkelijke lengte, omdat monomeren die aanvankelijk kriskras door elkaar liggen netjes worden opgelijnd als je eraan trekt. Als het rubber breekt is de schade onherstelbaar.

In rubber met waterstofbruggen ligt dat anders. Het Franse team onder leiding van Ludwik Leiber gebruikte voor hun variant vetzuren uit plantaardige olie. Deze moleculen zijn kort in vergelijking met de polymeren in rubber. De vetzuren zijn voorzien van chemische groepen zoals amine en ureum, die waterstofbruggen kunnen vormen. Een waterstofbrug ontstaat doordat de positief geladen kant van een chemische groep (de plaats waar het waterstof zit) wordt aangetrokken door de negatief geladen kant (waar zuurstof zit).

Ook ijs dankt zijn sterkte aan dergelijke waterstofbruggen, maar de Fransen wilden nu juist de vorming van een echt kristalrooster vermijden. Dat lukte omdat zij verschillende vetzuren gebruikten waarvan sommige twee onderlinge waterstofbruggen vormen en andere drie. De verschillende waterstofbruggen variëren bovendien in sterkte.

Zo maakte Leiber een rubberachtig materiaal waarin de waterstofbruggen kriskas door elkaar liggen in plaats van in een kristalrooster. Als waterstofbruggen in een dergelijke structuur worden doorgebroken dan liggen die daarna als het ware klaar om opnieuw te worden verbonden, zo legt Meijer uit. Meijer publiceerde eerder over rubbers die hun flexibiliteit danken aan waterstofbruggen, maar dit materiaal viel alleen te herstellen door het te verwarmen. Het Eindhovense bedrijfje SupraPolix ontwikkelt coatings die werken volgens dit principe van zelfheling.

Michiel van Nieuwstadt