Onderzoek

Nieuwe manier om koolstof vast te leggen

Wereldwijd wordt geprobeerd om de CO2 emissies te beperken, en een van de instrumenten om dat voor elkaar te krijgen is CO2 afvang. De technieken waarmee dat gebeurd zijn voornamelijk gebaseerd op vloeibare processen. Het rookgas of biogas wordt door een (grote) hoeveelheid vloeistof meestal water geleid dat chemicaliën bevat die de CO2 binden. Nadat de CO2 in de vloeistof is opgenomen, wordt deze opgevangen. Dit is een efficiënte methode, maar kost ook erg veel energie. Een team van wetenschappers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) ontwikkelde onlangs een nieuwe en energiezuinigere methode om de CO2 in een vaste stof af te vangen en op te waarderen tot een schoner product, waar vervolgens dan weer andere producten kunnen worden gemaakt, bijvoorbeeld brandstof.

De onderzoekers gebruikten een vast materiaal met ionische vloeistof1 in de poriën. De ionische vloeistof bindt de CO2 en zodra het materiaal verzadigd is met CO kan de CO2 2 vervolgens gemakkelijk vrijkomen door een combinatie van lichte verwarming en verlaging van de druk. Volgens de wetenschappers is een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van een ionische vloeistof dat het niet verdampt in gas als het wordt verwarmd of de druk wordt verlaagd Het blijft in het vaste materiaal en kan worden hergebruikt. De onderzoekers hopen uiteindelijk tot 90 procent van de CO2 uit het biogas af te kunnen vangen met een energiever

bruik dat minder is dan de helft van de methoden die tegenwoordig het meest worden gebruikt. Inmiddels is het systeem bij wijze van proef geïnstalleerd in een van de biogasfabrieken van Wärtsilä in Zweden. De nieuwe technologie zal daar worden getest als demonstratieproject en is bedoeld om het daar geproduceerde biogas te zuiveren. De tests duren maximaal zes maanden en moeten uitwijzen of het materiaal CO2 efficiënt blijft afvangen en afgeven. Zowel de materialen als het proces zijn gepatenteerd.

1 Ionische vloeistoffen zijn gesmolten

zouten, die vloeibaar zijn bij omgevingstemperatuur of licht verhoogde temperatuur. Men spreekt van een ‘ionische vloeistof’ als het smeltpunt lager is dan 100 °C. Ionische vloeistoffen bestaan dus volledig uit elektrisch geladen anionen en kationen>

Bron: DTU>

Het materiaal met de ionische vloeistof heeft de vorm van buisjes. Volgens professor Anders Riisager, leider van het project bij DTU, zullen de koolstofafvangtesten van de biogasproductie in de fabriek in Zweden worden uitgevoerd met ca. 10 kg van dit materiaal (Foto: DTU Chemistry)

Siliciumcarbide synthese uit hout

Wetenschappers van het National University of Science and Technology MISIS in Moskou hebben een eenvoudige en kostenefficiënte methode ontwikkeld om siliciumcarbide van industriële kwaliteit te maken uit houtverwerkingsafval. De studie werd gepubliceerd in Materials Chemistry and Physics. Siliciumcarbide is een harde, synthetisch geproduceerde kristallijne verbinding van silicium en koolstof. Het is slijtvast, hitte en stralingsbestendig en bijna net zo hard als diamant. Het materiaal wordt veel gebruikt in de metaalindustrie en bij de vervaardiging van hogetemperatuurbakstenen en andere vuurvaste materialen. Daarnaast worden siliciumcarbidekristallen onder meer toegepast in slijpstenen, schuurpapier, de sieradenindustrie, de bouw, de productie van kogelwerende vesten, autoonderdelen als remmen. Interessant zijn zogenaamde biomorfe carbiden, die worden gemaakt van koolstof dat is verkregen uit hout. Er zijn al verschillende biomorfe carbiden ontwikkeld van verschillende houtsoorten en zelfs graangewassen: beuken, eiken, dennen, linden, maïs en gierst. Recentelijk is ook geprobeerd om biomorf siliciumcarbide te synthetiseren uit verschillende industriële afvalmaterialen, zoals dat van vezelplaten, papier en houtcomposietplaten. Maar vooralsnog hebben deze technieken bezwaren. De eigenschappen van de gesynthetiseerde producten zijn vaak onvoorspelbaar. Bovendien zijn de conventionele methoden voor de productie van siliciumcarbide uit houtskool tijdrovend. Wetenschappers van NUST MISIS en Tomsk Polytechnic University hebben nu een methode bedacht om hoogwaardig siliciumcarbide te fabriceren uit houtskool en silicium, gebruikmakend van een gelijkstroom plasma met behulp van een elektrische boogreactor uitgerust met grafietelektroden. Het proces werkt met een stroom van 220 A en neemt nog geen halve minuut in beslag. Een belangrijk voordeel van de nieuwe methode is volgens de onderzoekers de eenvoud van het syntheseproces, waarvoor geen afgesloten kamer nodig is, en geen inerte gassen of een vacuümpomp hoeven te worden gebruikt. Bovendien is het proces dus supersnel. En last but not least, de grondstof is hernieuwbaar en afkomstig van hout(afval).

Meer bij NUST MISIS>

Dr. Tatheer Zahra (Foto: Queensland University of Technology)

Op hardloopschoenmateriaal geïnspireerd 3D-geprint materiaal beschermt gebouwen tegen impactschade

Een materiaal dat wordt gebruikt in hardloopschoenen en traagschuim matrassen was de inspiratiebron voor een ontwerp van een 3Dgeprint product dat gebouwen zou kunnen beschermen tegen bijvoorbeeld botsingen en zelfs de impact van gasexplosies, aardbevingen en windstoten. Dr. Tatheer Zahra van het Centre for Materials Science van de Queensland University of Technology (QUT) gebruikte bioplastics om geometrische vormen te 3Dprinten die het gedrag van auxetische materialen nabootsen. Haar werk werd op 30 september gepubliceerd in Smart Materials and Structures.

Auxetische materialen en structuren hebben de eigenschap dat als ze worden uitgerekt, ze loodrecht op de uitgeoefende kracht dikker worden. Dit gebeurt vanwege hun specifieke interne structuur en de manier waarop deze vervormt als het monster uniaxiaal wordt belast. Zulke materialen of structuren hebben bijzondere mechanische eigenschappen, zoals een hoge energieabsorptie en breukvastheid. Ze worden onder meer gebruikt in robuust schokabsorberende toepassingen, zoals hardloopschoenen.

Volgens dr. Zahra zou het 3Dprinten van auxetische geometrieën mogelijk staalen vezelversterkte polymeermatroces in composieten kunnen vervangen. Ze zouden wellicht ook kunnen worden gebruikt als een flexibele, beschermende muurpleister. Ze denkt dat een 20 mm dikke pleisterlaag van het nieuwe materiaal voldoende energieabsorberend vermogen heeft om een muur bestand te maken tegen de kracht van een auto die er met 60 km/u tegenaan rijdt. Composieten met deze geometrieën zouden in theorie zelfs weerstand kunnen bieden aan de impact van gasexplosies, aardbevingen en windstoten. Nu de potentie van het materiaal in het lab is aangetoond, worden de ontwerpen binnenkort op ware grootte getest.

Meer bij QUT>

Video: Een auxetische geometrie van 180 gram blijkt bestand tegen een kracht van 25 kN door bij belasting in alle richtingen samen te trekken. Het materiaal is in staat om ongeveer 260 J te absorberen zonder schade of vormveranderingen te vertonen. Opgeschaald, kunnen deze geometrieen nuttig zijn om gebouwen en andere constructies te beschermen tegen bijvoorbeeld botsingen.

Zelfherstellende ‘levende materialen’ als 3D-bouwstenen

Wetenschappers van het Imperial College London hebben self healing ‘levende’ 3Dbouwstenen ontwikkeld die zichzelf kunnen repareren als ze worden beschadigd. Zogenaamde Engineered Living Materials (ELM’s) maken gebruik van het biologisch vermogen materiaal te herstellen als reactie op toegebrachte schade. Volgens Imperial zou dit onderzoek kunnen leiden tot de ontwikkeling van materialen die hun eigen schade detecteren en herstellen, zoals het repareren van een barst in een voorruit, een scheur in de romp van een vliegtuig of een kuil in de weg. Door de bouwstenen te integreren in zelfherstellende bouwmaterialen, zou in de toekomst onderhoud kunnen verminderen en de levensduur en bruikbaarheid van een materiaal worden. Het onderzoek is gepubliceerd op 19 augustus in Nature Communications.

Om ELM’s te maken, gebruikten de onderzoekers genetisch gemanipuleerde bacteriën die fluorescerende 3D bolvormige celculturen produceerden, zogenaamde sferoïden. Ze rangschikten de sferoïden in verschillende vormen en patronen en wisten uiteindelijk de mogelijkheden van sferoïden als modulaire bouwstenen aan te tonen. Ze gebruikten een dikke laag bacteriële cellulose, een organische verbinding die door bepaalde soorten bacteriën wordt gemaakt. Ze beschadigden het materiaal door er gaten in te maken en vervolgens de vers gemaakte sferoïden in de gaten in te brengen. Na drie dagen bleek het materiaal zich uitstekend te hebben hersteld. Volgens de wetenschappers opent deze ontdekking nieuwe inzichten over de mogelijkheid om gekweekte materialen een rol te laten spelen als modules met verschillende functies, bijvoorbeeld in de bouw.

Het onderzoek moet worden gezien in het licht van de groeiende wetenschappelijke interesse in bacteriële cellulose. Bacteriële cellulose wordt in de natuur door sommige soorten bacteriën geproduceerd om beschermende omhulsels rond de cellen te vormen. Het heeft andere eigenschappen dan plantaardige cellulose en heeft een hoge zuiverheid, sterkte, vormbaarheid en een groter vermogen om water vast te houden. Hoewel bacteriële cellulose in de natuur wordt geproduceerd, wordt er wereldwijd onderzoek gedaan naar deze materialen. Door het syntheseproces te beheersen, zou microbiële cellulose wellicht specifieke eigenschappen kunnen worden gegeven. Dat zou weer de basis kunnen zijn van de ontwikkeling van een hele nieuwe klasse van functionele materialen. De volgende stap is het ontwikkelen van nieuwe bolvormige bouwstenen met verschillende eigenschappen, zoals de combinatie met materialen als katoen, grafiet en gelatine. Dit kan leiden tot nieuwe toepassingen zoals biologische filters, implanteerbare elektronica of medische biosensorpatches.

‘Bacterial cellulose spheroids as building blocks for 3D and patterned living materials and for regeneration’ door Ellis et al., werd op 19 augustus 2021 gepubliceerd in Nature Communications. Het staat online>

www.imperial.ac.uk>

Onderzoekers zagen een uitstekende reparatie die structureel stabiel was en de consistentie en het uiterlijk van het materiaal herstelde

Duurzame glitters

Onderzoekers van de University of Cambridge hebben een duurzame, plasticvrije glitter ontwikkeld voor gebruik in de cosmeticaindustrie gemaakt van cellulose, de belangrijkste bouwsteen van celwanden in planten. Er zijn duizenden soorten glitter, meestal gemaakt van ultradunne, meerlagige vellen die kunststoffen bevatten, evenals kleurstoffen en reflecterende materialen zoals aluminium, titaniumdioxide, ijzeroxide en bismutoxychloride. De vellen worden vervolgens in superkleine deeltjes gesneden. Sommige experts waarschuwen dat glitter een bedreiging vormt voor het milieu en bijdraagt aan vervuiling door microplastics.

De duurzame Cambridgeglitter is gemaakt van cellulosenanokristallen, die licht op zo'n manier kunnen breken dat er levendige kleuren ontstaan, de zogenaamde structurele kleur. Het fenomeen doet zich voor door de selectieve weerkaatsing van bepaalde golflengten van licht, die is te danken aan de structuur van de oppervlakte van een materiaal. Het is een methode om licht te manipuleren. Hetzelfde verschijnsel is verantwoordelijk voor enkele van de helderste kleuren in de natuur zoals die van vlindervleugels en pauwenveren. Met behulp van zelfassemblagetechnieken waarmee de cellulose intens gekleurde films kan vormen, zeggen de onderzoekers dat hun materialen kunnen worden gebruikt om de huidige gekleurde plastic glitterdeeltjes te vervangen. In Europa gebruikt de cosmeticaindustrie jaarlijks zo'n 5.500 ton microplastics in de vorm van glitters. Na het produceren van de grootschalige cellulosefilms vermalen de onderzoekers ze tot deeltjes van de grootte die wordt gebruikt voor het maken van glitters of effectpigmenten. De resulterende deeltjes zijn biologisch afbreekbaar, plasticvrij en niet giftig. De onderzoekers zeggen er ook in te zijn geslaagd het proces geschikt te maken voor industriële machines. Volgens Cambridge is dit de eerste keer dat deze materialen op industriële schaal zijn vervaardigd. Hoewel verdere optimalisatie van het proces nog nodig is, hopen de onderzoekers de komende jaren een spinout bedrijf te vormen om hun pigmenten en glitters commercieel beschikbaar te maken.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials, getiteld 'Largescale fabricage van structureel gekleurde cellulose nanokristallen films en effectpigmenten'. Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563021011358

Meer bij Cambridge>

PeLED’s: rekbare, buigzame, flexibele LED’s

Onderzoekers van de McKelvey School of Engineering, onderdeel van de Washington University in St. Louis (WUSTL), hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat geschikt is om een nieuw type flexibele LEDs te maken. Bestaande organische LED’s (OLED’s) zijn gemaakt van organische moleculen of polymeermaterialen. Ze zijn goedkoop en flexibel. Anorganische LED’s zoals microLED’s presteren goed, zijn helder en zeer betrouwbaar, maar stijf en erg duur. De nieuwe technologie van WUSTL combineert het beste van bestaande LED’s en organische LED’s (OLED’s). Bovendien ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe manier om het materiaal te maken: met een inkjetprinter. Het onderzoek is afgelopen november gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.

De WUSTLwetenschappers gebruikten een soort kristallijn materiaal: gemodificeerd organometaalhalogenide perovskiet. De traditionele manier om een dun laagje perovskiet te maken, is met spincoating. Daarbij wordt vloeibaar perovskiet op een plat, ronddraaiend substraat gedruppeld. Terwijl het substraat ronddraait, verspreidt de vloeistof zich en vormt een dunne laag. Daarvan kunnen perovskietLED’s (of PeLED’s) worden gemaakt. Bij deze methode gaat echter relatief veel materiaal verloren door wegspatten. En zo ontstond het idee van de inkjetprinter. Inkjetprinten bespaart materiaal, omdat het perovskiet precies daar kan worden neergelegd waar het nodig is. Het proces bleek bovendien ook veel sneller te zijn, waardoor de fabricagetijd werd teruggebracht van meer dan vijf uur tot minder dan 25 minuten. Een ander voordeel van het gebruik van de inkjetprintmethode is dat perovskiet kan worden aangebracht op een hele reeks onconventionele, zelfs flexibele substraten.

De mogelijkheid om op een flexibel materiaal te printen bleek echter niet voldoende; de leds zelf moesten ook flexibel zijn. Dit probleem werd opgelost door de anorganische perovskietkristallen in te bedden in een organische, polymeermatrix gemaakt van polymeerbindmiddelen. Dit maakte de perovskiet en daarmee de PeLED’s elastisch en rekbaar. Er waren echter problemen. LED’s zijn opgebouwd in een sandwichachtige structuur, met ten minste een emitterende laag, een anodelaag en een kathodelaag. Omdat alle onderdelen van de PeLED aanvankelijk vloeibaar zijn zowel de perovskietlaag als de twee elektroden en een bufferlaag was het belangrijk om te voorkomen dat de lagen werden vermengd. Er moet een geschikt polymeer worden gevonden die als beschermingslaag tussen de perovskiet en de andere lagen kon worden aangebracht, zonder al te veel te interfereren met de prestaties van de PeLED. Nadat dat was gelukt konden de eerste rekbare PeLED’s met succes worden geprint.

Meer bij WUSTL>

Online Bijeenkomst Kring Materiaalbewerking met Lasers (BvM) – 26 januari 2022 Interesse? klik hier

MAKE IT MATTER

De rubriek MAKE IT MATTER wordt in samenwerking met MaterialDistrict (MaterialDistrict.com) samengesteld. In deze rubriek worden opvallende, en/of interessante ontwikkelingen en innovatieve materialen uitgelicht.

Popcorn vervangt polystyreen

Onderzoekers van de Universiteit van Göttingen (Duitsland) ontwikkelden een polystyreenachtig materiaal op basis van popcorn. Het kan worden gebruikt als verpakkings en isolatiemateriaal. De technologie is gebaseerd op processen zoals die ook in de kunststofindustrie worden gebruikt. De Duitse graanproducent Nordgetreide heeft een licentieovereenkomst ontvangen voor het commerciële gebruik van het proces en de producten voor de verpakkingssector. Het Duitse bouwbedrijf Bachl Group heeft de licentie om het proces te gebruiken om bouwisolatie te maken.

Meer bij MaterialDistrict>

Roxipan

Roxipan is een decorplaat met de uitstraling van beton. Het materiaal is geschikt voor zowel de bouw als de renovatie van commerciële, industriële, tertiaire of particuliere gebouwen. Roxipanpanelen zijn verkrijgbaar in verschillende stijlen, glad of robuust, geplateerd op elke ondergrond, MDF, multiplex, spaanplaat en compact.

Meer bij MaterialDistrict>

Stax

Stax bestaat uit glaslagen die op elkaar worden gestapeld en vervolgens samengesmolten tot solide panelen. Dit speciale proces maakt het mogelijk om buitenmuren te maken met zeer grote oppervlakken. Om het materiaal als veiligheidsglas te classificeren, zijn op de achterkant van de Staxpanelen vlakke panelen van helder, gegoten spiegelglas gelamineerd. Dat is nodig omdat de Staxglaspanelen te dik zijn om thermisch te harden, wat de gebruikelijke behandeling is om veiligheidsglas te maken.

Meer bij MaterialDistrict>

Balsaconcrete

Balsabeton is een lichtgewicht materiaal gemaakt van beton met een kern van schuim. Het kan worden gebruikt voor tafelbladen, keukenbladen, badkuipen en elk ander binnen/buitenpaneel of product dat de impact van beton moet hebben, maar niet het zware gewicht. Grote maten zijn mogelijk, toepasbaar op elke keukenconstructie, verkrijgbaar in alle diktes, in elke vorm en in vele kleuren.

Foto: evolveproductions.nl

Meer bij MaterialDistrict>

Timbercrete

Timbercrete is een bouwmateriaal dat meer dan 50 vol.% gerecycled zagerijafval bevat. Huizen die van dit product zijn gemaakt, verbruiken minder energie voor verwarming/koeling. Timbercrete werkt in dat verband als een ‘carbon sink’ die voorkomt dat kooldioxide vrijkomt bij het ontbinden van zaagsel in de atmosfeer. Het materiaal is brandbestendig en kan breed worden toegepast in de woningbouw en industriële en openbare gebouwen.

Meer bij MaterialDistrict>

Zero

Zero brick is een materiaal waarmee voegloos metselwerk kan worden gemaakt zonder in conflict te komen met de basisregels van traditioneel metselen. ZERO heeft een extra grote holte aan de bovenzijde waarop de mortel kan worden aangebracht. Hierdoor is het mogelijk om de voegdikte terug te brengen tot 4 mm. De metselaar kan zijn werk gewoon doen met een troffel en gewone mortel.

Meer bij MaterialDistrict>

Plexwood - geometric

Plexwood geometric is een tweelaags houtproduct, bestaande uit een ondergrond met aan één zijde een Plexwood fineer. Gehoekt in 15, 30, 45 of 0/90, +15/15, +30/30, +45/45 graden, ontstaan esthetisch interessante oppervlaktegeometriën.

Meer bij MaterialDistrict>