Nieuw slim cement: duurzamere wegen en steden

Hoe infrastructuur ook is gebouwd, het moet worden onderhouden en uiteindelijk worden vernieuwd. Jaarlijks komen er miljoenen tonnen afval vrij en moet er nieuw cement worden geproduceerd, wat zorgt voor extra CO2 uitstoot. Daar komt nog bij dat de VN verwacht dat tegen 2050 twee derde van de wereldbevolking in steden zal wonen, wat betekent dat er tegen die tijd een enorme hoeveelheid (betonnen) gebouwen moet zijn gerealiseerd. Om te voorkomen dat daardoor een navenante hoeveelheid CO2 vrijkomt, moeten die nieuwe steden en wegen worden gebouwd met duurzaam en slim beton.

Techneuten die dit probleem aanpakken met slimme materialen, proberen doorgaans de functie van materialen te verbeteren door de hoeveelheid koolstof te verhogen. Daardoor verliest het materiaal echter aan mechanische prestaties. Door nanodeeltjes aan gewoon cement toe te voegen, hebben onderzoekers van de Northwestern University nu een slimmer, duurzamer en zeer functioneel cement gemaakt. Cement is wereldwijd het meest ge en verbruikte constructiemateriaal, waarmee de cementindustrie verantwoordelijk is voor acht procent van de door de mens veroorzaakte uitstoot van broeikasgassen. Met het doel de ecologische voetafdruk van cement te verlagen, onderzocht een Northwestern Researchteam, onder leiding van professor milieutechniek AngeTherese Akono, de mogelijkheden om met nanomaterialen de eigenschappen te verbeteren. Er wordt aangenomen dat nanomaterialen de koolstofvoetafdruk van cementcomposieten verkleinen, maar tot nu toe was er weinig bekend over de impact ervan op het breukgedrag. Een belangrijke vraag was hoe de fractie van op koolstof gebaseerde nanomaterialen in cementmatrices te vergroten, met beheersing van de microstructuur en verbetering van de mechanische eigenschappen. In het bijzonder keek het team naar de breukrespons van Portlandcement dat is versterkt met een en tweedimensionale op koolstof gebaseerde nanomateriaal, zoals koolstofnanovezels, meerwandige koolstofnanobuizen, spiraalvormige koolstofnanobuizen en grafeenoxidenanoplaatjes. De onderzoekers toonden aan dat nanomaterialen nanogaatjes kunnen overbruggen, wat leidt tot porieverfijning en een lagere porositeit en wateropname. Ook constateerde het team onder meer dat er een verband bestaat tussen de

Onderzoekster Ange-Therese Akono met monsters van slim cement (Foto: Northwestern University)

breuktaaiheid van cementnanocomposieten (in dit geval grafeenversterkt cement) en de massafractie van de nanovulstof. Met dat inzicht kan de breuktaaiheid worden verbeterd. Volgens Nortwestern illustreert de studie de potentie van nanomaterialen om cement te versterken en tegelijkertijd de microstructuur en waterbestendigheidseigenschappen te verbeteren.

Bron: Northwestern> Het onderzoek, ‘Fracture toughness of one- and two-dimensional nanoreinforced cement via scratch testing’, werd op 21 juni gepubliceerd in het tijdschrift Philosophical Transactions van de Royal Society A. Het is online>

A week of immersion in the world of 3D manufacturing!

December 6 to 10 2021, International multi-event – Benelux region

The International multievent 3D Delta Week will be organized from 6 10 December 2021. The 3D Delta Week will create value for users and providers along the 3D Manufacturing Value Chain. It will be the 3D manufacturing meeting point for expert and layman, inside or outside the Benelux region.

The 3D Delta week is already gathering a dozen of renown events and will continue growing as the placetobe, with activities aimed at specific sectors, at R&D and industry, at users and suppliers. The scheduling of events will allow participants to easily move from one activity to another. The Benelux area (the Delta) is a top region in terms of 3D production, with a myriad of academic and applied research centres, a particularly high number of 3Dprinters and numerous promising startups and established enterprises. On the user side, the region boasts a multitude of application areas all in all, an extremely versatile and highquality ecosystem. Now, the appropriate podium has been created to bring this leading 3D production region to the fore.

The 3D Delta Week is an initiative initially set up by Brainport Eindhoven, Flam3D, Jakajima and Mikrocentrum.

www.3ddeltaweek.com

Nieuwe methode voor recycelen van lithium-ion batterijen

Onderzoekers van de Universiteit van Leicester hebben een totaal nieuwe methode ontwikkeld om batterijen van elektrische voertuigen te recyclen. Het betreft een onderzoeksproject van The Faraday Institution naar de recycling of lithiumion batterijen (ReLiB), geleid door professor Andy Abbott van de University of Leicester.

The Faraday Institution werd opgericht in 2017 en opereert sindsdien als het nationale onderzoeksinstituut van het Verenigd Koninkrijk op het gebied van batterijwetenschap en technologie. The Faraday Institution houdt zich bezig met commercieel relevant onderzoek, nodig voor de toekomstige ontwikkeling van grensverleggende batterijtechnologie. Het onderzoek van The Faraday Institution wordt uitgevoerd door of in samenwerking met Britse universiteiten, Leicester in dit geval. Met huidige recyclingmethoden worden afgedankte lithiumionbatterijen doorgaans verwerkt met een shredder of een hogetemperatuurreactor. Vervolgens zijn een aantal fysische en chemische processtappen nodig om de bruikbare materialen terug te winnen; een route die erg energieintensief en inefficiënt is. Abbott en zijn collega's gebruikten een nieuwe methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van hoogvermogen ultrageluid. Eerst worden de batterijen gedemonteerd en vervolgens wordt het materiaal blootgesteld aan ultrasone golven, waardoor cavitatie optreedt en de verschillende materialen delamineren. De aluminium of koperen electroden blijven achter. Het proces bleek uiterste effectief bij het verwijderen van grafieten lithiumnikkelmangaankobaltoxiden, kortom NMC. Het onderzoeksteam heeft de technologie verder getest op de vier meest voorkomende batterijtypen en heeft vastgesteld dat deze in elk geval met dezelfde efficiëntie presteert.

De resultaten zijn gepubliceerd in Green Chemistry met de titel ‘Lithium ion battery recycling using highintensity ultrasonication’.

De samenvatting is online>

Schema van het ultrasone proces dat helpt bij het delamineren van lithium-ion batterijen Leicester University>

Metallic wood 2.0

Deze strook metaalachtig hout, ongeveer 2,5 cm lang en 2,5 cm breed, is dunner dan huishoud aluminiumfolie, maar kan meer dan 50 keer zijn eigen gewicht dragen zonder te knikken

Bijschrift

De afgelopen drie jaar hebben ingenieurs van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania een soort materiaal ontwikkeld dat ‘metallic wood’ wordt genoemd. Net als bij hout bestaat metallic wood uit regelmatig verdeelde, celgrote poriën die de dichtheid radicaal verminderen zonder dat dat ten koste gaat van de sterkte van het materiaal. De precieze afstand tussen deze openingen geeft metaalhout niet alleen de sterkte van bijvoorbeeld titanium tegen een fractie van het gewicht, maar ook unieke optische eigenschappen, waardoor het materiaal in potentie kan worden gebruikt voor sensoren. Een veelbelovend materiaal dus, maar er is een probleem. Tot dusver was het onmogelijk om het materiaal in een bruikbare omvang te produceren, en wel als gevolg van ‘omgekeerde scheurvorming’ tijdens de synthese. Een omgekeerde scheur is een overmaat aan atomen, in dit geval extra nikkel, die de nanoporiën opvullen die juist cruciaal zijn voor zijn unieke eigenschappen.

Deze omgekeerde scheuren komen voort uit de manier waarop metallisch hout wordt gemaakt. Het begint als een sjabloon bestaande uit op elkaar gestapelde nanobolletjes. Als er bijvoorbeeld nikkel op het sjabloon wordt afgezet, vormt het een metalen roosterstructuur rond de bollen. De bolletjes worden later opgelost waarna de typische poriën achterblijven. Als er echter plaatsen zijn waar het normale stapelpatroon van de bollen is verstoord, zoals een scheur, zal het nikkel die openingen ook opvullen, waardoor een omgekeerde scheur een verdikking ontstaat zodra de sjabloon wordt verwijderd.

In de waterige oplossing waarin het proces zich afspeelt, bleken de oppervlaktekrachten van water zo sterk te zijn dat ze de deeltjes uit elkaar drijven en scheuren vormen. Deze scheuren zijn erg moeilijk te voorkomen. Daarom ontwikkelden de wetenschappers een nieuwe methode om de deeltjes te kunnen assembleren terwijl de sjabloon nat blijft. Dat voorkomt dat de films barsten. Maar omdat de deeltjes nat zijn, moesten de onderzoekers ze met behulp van elektrostatisch fixeren, voor ze het sjabloon met metaal konden vullen.

De nieuwe techniek maakt het mogelijk om grotere, consistentere stroken metaalhout te maken. Het opent de weg om poreuze metalen te fabriceren die drie keer sterker zijn dan bestaande poreuze metalen (met een vergelijkbare dichtheid) en duizend keer groter dan eerdere nanoroosters. Het metallic wood zou volgens Penn kunnen worden toegepast als membraan, bijvoorbeeld om biocomponenten te scheiden, in kankerdiagnostiek, beschermende coatings en flexibele sensoren.

Meer bij Penn>