Innovatieve Materialen 2024 4

'TOEKOMSTIGE SUPERBATTERIJ VOOR ELEKTRISCHE AUTO'S IS VAN STEEN'

NIEUW PROCES 3D-PRINTEN VAN HIGH RES SILICA-ONDERDELEN

MAAS KRIJGT 3D-GEPRINTE, KERAMISCHE RIFFEN VOOR MEER NATUUR

WINNING ZELDZAME AARDMETALEN UIT ELEKTRONISCH AFVAL

BIOBETON MET BLAUWALGEN

Wij leveren complete installaties voor ontstoffing, luchtreiniging en pneumatisch transport

Technieken voor o.a.:

- Ontstoffing van productieruimtes (MAC)

- Reduceren van geuremissies (NER)

- Reduceren van stofemissies (NER)

Componenten die wij o.a. kunnen leveren:

- Natfilters & Droogfilters

- Cyclonen

- Gaswassers

- Topsteen- / Frogreinigers

- Naverbranders

Projecten kunnen turn-key worden uitgevoerd

Wij garanderen de emissie & grenswaarden

Engineering, bouw en onderhoud in eigen beheer

Mesys Industrial Air Systems BV

Molenstraat 27, 6914AC Herwen www.mesys.nl

+31 (0) 316 248744

Info@mesys.nl

Hoog vacuüm stofzuiginstallatie

Natfilter met slibtransporteur

Frogreiniger

Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift over ontwikkelingen op het gebied van duurzame, innovatieve materialen en/of de toepassing daarvan in bijzondere constructies.

Uitgeverij: SJP Uitgevers Kalkhaven 53 4201 BA Gorinchem tel. (0183) 66 08 08 e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

20 'Toekomstige superbatterij voor elektrische auto's is van steen'

Volgens Deense wetenschappers zullen solid-state batterijen gemaakt van rotssilicaten over tien jaar een milieuvriendelijker, efficiënter en veiliger alternatief zijn voor de huidige lithium-ionbatterijen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Denemarken (Danmarks Tekniske Universitet, DTU) hebben onlangs een nieuw superionisch materiaal gepatenteerd op basis van kaliumsilicaat - een mineraal dat kan worden gewonnen uit natuurlijk steen.

24 Nieuw proces voor 3D-printen high-res silica-onderdelen

Het Oostenrijkse bedrijf UpNano GmbH heeft een nieuw productieproces ontwikkeld voor 3D-geprinte objecten van gesmolten kwarts. De nieuwe technologie maakt het mogelijk om zeer nauwkeurige onderdelen in het millimeter- en centimeterbereik te produceren. Het proces is gebaseerd op de innovatie van het Duitse Glassomer GmbH en is geoptimaliseerd voor 3D-printen met twee-foton polymerisatie (2PP).

26 Maas krijgt 3D-geprinte, keramische riffen voor meer natuur

Rijkswaterstaat wil de doorstroming van (hoog)water en het verbeteren van de ecologische waterkwaliteit en riviernatuur zo veel mogelijk combineren. Daaronder valt ook het tegengaan van de te ver voortschrijdende afkalving van een oeverstrook. Langs de Maas bij Oeffelt worden daarvoor zogenaamde ‘tidal reefs’ gebruikt; 3D-geprinte, keramische kleiriffen.

28 Winning zeldzame aardmetalen uit elektronisch afval

ETH-onderzoekers ontwikkelen een proces geïnspireerd door de natuur dat efficiënt europium uit oude fluorescentielampen terugwint. Hun aanpak zou kunnen leiden tot de langverwachte recycling van zeldzame aardmetalen.

30 Biobeton met blauwalgen

Onderzoekers van het Fraunhofer instituut hebben een methode ontwikkeld om zogenaamde biogene bouwmaterialen te fabriceren met cyanobacteriën. De bacteriën vermenigvuldigen zich in een voedingsoplossing, aangestuurd door fotosynthese. Wanneer aggregaten en vulstoffen zoals zand, basalt of hernieuwbare grondstoffen worden toegevoegd, ontstaan rotsachtige vaste structuren. In tegenstelling tot traditionele betonproductie komt er bij het proces geen koolstofdioxide vrij.

Hoofdredactie:: Gerard van Nifterik

AdvertentiesDrs. Petra Schoonebeek e-mail: ps@innovatievematerialen.nl

Een digitaal abonnement in 2024 (6 uitgaven) kost € 47,80 (excl. BTW) KIVI-leden € 35,90- (excl. BTW) Studenten € 25,- (excl. BTW) Een papieren abonnement in 2024 kost € 93,25 (excl. BTW) Zie ook: www.innovatievematerialen.nl

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en of openbaar worden door middel van herdruk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Omslag: Maas krijgt 3D-geprinte, keramise riffen voor meer flora en fauna (pag.26)

TerraMound: 3D-geprinte keramische koelelementen, geïnspireerd op termietenheuvels

Voor haar afstudeerproject aan de Bartlett School of Architecture van de UCL (University College London) ontwierp designer Rameshwari Jonnalagedda 3D-geprinte keramische koelelementen, geïnspireerd op de poreuze architectuur van termietenheuvels.

De ontwerpen hebben een hoge oppervlakte-volumeverhouding om de warmtewisseling voor een optimale temperatuurafgifte. Inmiddels zijn er ook prototypes die gemeen hebben dat ze zijn uitgerust met een desktopventilator met een keramische poreuze structuur waarbij lucht omhoog wordt getrokken door een 3D-geprint keramisch object. De ontwerpster heeft zo veel mogelijk gebruik gemaakt van minimale oppervlaktegeometrieën. Daardoor ontstaat een enorm groot oppervlak, wat ideaal is voor het maximaliseren van koeling en luchtstroom, allebei essentieel voor een efficiënt koelsysteem.

Hoewel de eerste TerraMound prototypes gebruikmaken van een externe ventilator, ligt het echte potentieel volgens Jonnalagedda in het opschalen van het concept en het diversifiëren van de toepassingen. Het project gaat dan ook verder dan alleen koeling. De minimale oppervlakken zoals die nu zijn gebruikt in de termietenheuvelversie zouden ook kunnen worden toegepast in muren als adaptieve interfaces, die zich aanpassen om warmte, lucht en licht te beheren . De mogelijkheden van minimale oppervlakken, gecombineerd met de vrijheid van 3D-printen, zou de deur kunnen

openen tot een scala aan toepassingen, zoals gevelsystemen, luchtfiltratiesystemen en zelfs bioreceptieve structuren . Het doel is nu om koelkleitorens te creeren met instelbare porositeitsniveaus, zodat ze kunnen worden aangepast aan verschillende omgevingen, zoals

vochtbuffers in vochtige gebieden en ventilatieboosters in droge gebieden. Andere ontwerpen zijn ook mogelijk, zoals gevelpanelen, scheidingswanden, kunstmatige riffen en stadstuinen.

Foto's: Rameshwari Jonnalagedda

UT-onderzoek van start om plastics circulair te maken

Momenteel wordt in Nederland vijftien procent van de één miljoen ton in Nederland jaarlijks afgedankte plastics hoogwaardig gerecycled. Het doel is dat in 2030 50 procent van alle plastics gerecycled worden en in 2050 moet de productie volledig circulair zijn. Met welke technische innovaties zou ervoor kunnen worden gezorgd dat plastics vaker worden hergebruikt? Dat wordt onderzocht in Plastics circulair maken: technische innovaties. Er is vanuit NWO zes miljoen euro verdeeld over tien projecten. Alle onderzoeken zullen vijf jaar duren. Het UT-onderzoek van prof. Roland ten Klooster (Faculteit ET) draagt bij aan de plastics circulair maken met als doel het recyclen van verpakkingen te optimaliseren.

Om levensmiddelen te beschermen tegen de inwerking van zuurstof en/of vocht, zijn materialen ontwikkeld die uit meerdere lagen bestaan zoals een laag voor het sealen, als drager, als barrière tegen zuurstof. Deze gecombineerde materialen zijn vaak lastig te scheiden en niet goed te recyclen. Lagen gemaakt van één materiaalsoort met goed afgestemde barrière-eigenschappen kunnen

dit probleem oplossen. Echter, dergelijke mono-materialen kunnen verkleven aan de sealbeitels omdat de lagen gelijke smelteigenschappen hebben. Andere sealmethoden zijn dus noodzakelijk. Dit project beoogt te komen tot recyclebare en sealbare mono-materialen die een hoge barrière hebben tegen gassen en vocht.

Het project van Ten Klooster heet: ‘Design for recycling and effective/secure sealing of high-barrier mono-material flexible packaging films’. Het consortium bestaat uit: Borealis, Cargill Bioindustrial, TNO en Universiteit Twente.

Meer bij UTwente>

Geïnteresseerd in de onbegrensde

mogelijkheden

van

keramiek?

Word nu lid van de Nederlandse Keramische Vereniging (NKV)

Wat doet NKV?

• kennisoverdracht, samenwerking, ontmoetingen en informatie-uitwisseling met andere (keramische) organisaties, instituten en verenigingen, in binnen- en buitenland.

• stimuleren van onderwijs en onderzoek op het gebied van keramische materialen

• contactennetwerk bieden voor de leden

• actief kennis verspreiden over keramiek en keramische materialen

• collectieve promotie van de toepassing van keramiek.

Meer weten over lidmaatschap? www.ceramics.nl Klik hier>

(Illustratie AI/UTwente)

Blauwdruk voor toekomstbestendig bouwen: Duurzaam 3D-betonprinten

Een onderzoeksteam van de University of Virginia School of Engineering and Applied Science onderzoekt de mogelijkheden van cellulose-nanofibrillen (CNF), een innovatief biobased materiaal, om 3D-geprinte betontechnologie te verbeteren.

Professor Osman E. Ozbulut van de afdeling Civiele en Milieutechniek stelt dat de bevindingen kunnen leiden tot meer flexibele en milieuvriendelijkere bouwmethoden. 3D-geprint beton heeft verschillende voordelen: snelle en nauwkeurige constructie, potentieel gerecyclede materialen, lagere arbeidskosten, minder afval en de mogelijkheid tot complexere ontwerpen.

Bij 3D-betonprinten wordt een speciale printer gebruikt die een cementachtig mengsel in lagen aanbrengt, en wordt aangestuurd door geavanceerde ontwerpsoftware. Momenteel zijn er echter maar relatief weinig materialen beschikbaar en is er discussie over hun duurzaamheid en bestendigheid. Een van de problemen is volgens Ozbulut dat onderzoekers te maken hebben met tegenstrijdige eisen. Het materiaal moet soepel kunnen worden geprint, maar moet ook uitharden tot een stabiel eindproduct met de juiste mechanische eigenschappen zoals sterkte, hechting tussen lagen en lage thermische geleidbaarheid.

CNF, gemaakt van houtpulp, is een hernieuwbaar materiaal met een lage milieubelasting. Het materiaal lijkt vooral interessant als additief voor het verbeteren van stromingseigenschappen

Ugur Kilic, een Ph.D.-student

en mechanische sterkte van 3D-geprinte composieten. Voordat het onderzoek van het UVA-team begon, was de impact van CNF op deze materialen nog onduidelijk. Volgens Ozbulut is gedegen wetenschappelijk onderzoek broodnodig om de effecten van verschillende additieven op 3D-geprinte structuren beter te begrijpen en te optimaliseren.

Het team toonde overigens aan dat toevoeging van minimaal 0,3 procent CNF de prestaties van het beton aanzienlijk kan verbeteren. Microscopische analyse van de geharde monsters toonde een

de

van

verbeterde binding en structuur. Verdere tests bevestigden dat deze CNF-geoptimaliseerde componenten goed bestand zijn tegen diverse krachten zoals trekken, buigen en samendrukken.

Het onderzoek van Virginia wordt in september gepubliceerd in Cement and Concrete Composites onder de titel ‘Effects of cellulose nanofibrils on rheological and mechanical properties of 3D printable cement composites’. Een uitgebreide samenvatting staat online>

Meer bij Virginia>

civiele techniek aan

Universiteit

Virginia, bij de betonprinter in het laboratorium van professor Osman Ozbulut aan de UVA (Foto: Tom Cogill, UVA Engineering)

Volledig rekbare lithium-ionbatterij voor flexibele elektronica

Met de groeiende belangstelling voor draagbare gezondheidsmonitoren ontstaat er onder wetenschappers steeds meer interesse in flexibele elektronica; en ook voor flexibele batterijen. Onderzoekers van de Nanjing University ontwikkelden een lithium-ionbatterij met volledig rekbare componenten, waaronder een elektrolytlaag die tot 5000 procent kan uitrekken, en die zijn ladingopslagcapaciteit behoudt na bijna 70 laad-/ontlaadcycli.

Elektronica die buigt en uitrekt, heeft batterijen nodig met vergelijkbare eigenschappen. Tot dusver richtte het meeste onderzoek naar dergelijke batterijen zich op geweven geleidend materiaal of op stijve componenten die op een soort origami-manier zijn gevouwen. Maar voor een echt vervormbare batterij moet eigenlijk elk onderdeel - zowel de elektroden en de elektrolytlaag - elastisch zijn. Tot nu toe hebben echt rekbare batterijprototypes een niet al te beste elasticiteit, een beperkte energieopslagcapaciteit en zijn er complexe assemblagetechnieken nodig om ze te maken. Een belangrijk nadeel is bovendien dat ze na verloop van tijd na herhaaldelijk opladen en ontladen steeds slechter presteren. Dat laatste zou overigens te wijten zijn aan een zwakke verbinding tussen de elektrolytlaag en elektroden of aan de instabiliteit van de vloeibare elektrolyt.

In plaats van een vloeistof te gebruiken, besloten de onderzoekers een elektrolyt op te nemen in de polymeerlaag die tussen twee flexibele elektrodefilms is gesmolten. Ze maakten een geleidende pasta, met zilveren nanodraden, koolstof en op lithium gebaseerde kathode- of anodematerialen, en brachten die als dunne film aan op een plaat. Daarop legden de onderzoekers een laag polydimethylsiloxaan, een flexibel materiaal dat veel wordt gebruikt in contactlenzen. Direct bovenop die dunne laag voegden de onderzoekers een lithiumzout

Deze lithium-ionbatterij heeft volledig rekbare componenten en een stabiele laad- en ontlaadcapaciteit in de loop van de tijd (Bron: ACS Energy Letters 2024, DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01254)

toe, daarop een geleidende vloeistof en ingrediënten om later een rekbaar polymeer te vormen. Het hele pakket werd vervolgens geactiveerd door licht, waarbij een vaste, rubberachtige laag wordt gevormd die in staat was om uit te rekken tot 5000 procent van zijn oorspronkelijke lengte, Bovendien bleef het materiaal in staat om lithiumionen te transporteren.

Ten slotte werd de stapel bedekt met een andere elektrodefilm en werd de hele set verzegeld in een beschermende coating.

Uit tests bleek dat de nieuwe rekbare batterij in vergelijking met met een traditionele vloeibare elektrolytbatterij, een ongeveer zes keer hogere gemiddelde laadcapaciteit bij een hoge oplaadsnelheid vertoonde. Bovendien bleek de nieuwe batterij na 67 laad- en ontlaadcy-

cli een stabielere capaciteit te hebben. Ondanks dat het concept nog verder moet worden uitgewerkt, is deze nieuwe manier om volledig rekbare, solide batterijen te maken volgens Nanjing University een veelbelovende stap voorwaarts om betere flexibele, draagbare of implanteerbare apparaten te ontwikkelen die met het lichaam meebewegen.

Het onderzoek verscheen half juli in ACS energy letters onder de titel ‘Elastic polymer electrolytes integrated with in situ polymerization-transferred electrodes toward stretchable batteries’ (doi. org/10.1021/acsenergylett.4c01254)

Meer bij ACS>

Duurzamer maken van oplaadbare batterijen met volledig recyclebare componenten

Oplaadbare solid-state lithiumbatterijen zijn een opkomende technologie die ooit mobiele telefoons en laptops dagenlang van stroom kunnen voorzien met één enkele lading. Ze hebben een aanzienlijk hogere energiedichtheid en zijn een veiliger alternatief voor de huidige ontvlambare lithium-ionbatterijen. Hedendaagse recyclingmethoden richten zich op de beperkte terugwinning van metalen die zich in de kathodes bevinden. De meeste andere componenten gaan verloren. Een onderzoeksteam van Penn State University heeft dit probleem mogelijk opgelost. De wetenschappers ‘herconfigureerde’ het ontwerp van solid-state lithiumbatterijen zodat al hun componenten eenvoudig gerecycled kunnen worden.

Traditioneel gezien zijn de meeste kerncomponenten van de batterij verloren gegaan omdat ze tijdens het recyclingproces worden vermengd tot een ‘black mass‘. Deze massa is weliswaar rijk aan materialen die nodig zijn voor batterijen,

Cold Sintering Proces (CSP)

Onderzoekers van Penn State University hebben het ontwerp van solid-state lithiumbatterijen opnieuw geconfigureerd, zodat al hun componenten eenvoudig kunnen worden gerecycled. Op de foto de knoopcelbatterijen waarmee het team de methode heeft getest (Photograpy: Poornima Tomy/Penn State)

Het Cold Sintering Proces (CSP) is een techniek die keramische materialen bij lage temperaturen samenperst en vormt. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een tijdelijk oplosmiddel, zoals water, soms met toevoeging van stoffen die de samenstelling van het keramiek aanvullen. Het proces vindt plaats bij temperaturen van 20 tot ongeveer 200 °C. Hierdoor is er minder energie nodig dan bij traditionele methoden, die vaak veel hogere temperaturen vereisen. Het oplosmiddel helpt de keramische deeltjes samen te brengen tot een dicht en stevig materiaal. CSP maakt het ook mogelijk om keramische materialen te combineren met thermoplastische polymeren, waardoor dichte composieten kunnen worden gevormd die bestaan uit zowel organische als anorganische materialen. Deze techniek biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van geavanceerde materialen met uiteenlopende toepassingen.

Koud sinteren werd in 2016 ontwikkeld  door een team van onderzoekers onder leiding van Clive Randall, directeur van Penn State's  Materials Research Institute  en vooraanstaand hoogleraar materiaalkunde en -techniek. Gomez en zijn team hebben onlangs de recycling van vaste elektrolyten met behulp van koud sinteren gedemonstreerd.

Voor meer informatie over koud sinteren, klik HIER>

De presentatie van Cold Sintering Proces (2016)>

maar het scheiden ervan is lastig. In vaste-stofbatterijen is het probleem erger, omdat dan ook de vaste elektrolyt in de black mass terechtkomt.

Om deze componenten gemakkelijker te kunnen scheiden van de andere metalen componenten in een knoopcelbatterij, hebben onderzoekers twee polymeerlagen aangebracht op de grensvlakken tussen de elektrode en de elektrolyt voordat het recyclingproces begon. Nadat de componenten met succes waren gescheiden, maakten ze een com-

posiet materiaal van de teruggewonnen metalen en elektroden met behulp van koud sinteren (Cold Sintering Proces: CSP). Bij dit proces worden materiaalpoeders tot dichte vormen verdicht bij lage temperaturen (zie kader).

Vervolgens wisten ze op basis van het herwonnen materiaal een nieuwe batterij te reconstrueren; weer met de toegevoegde polymeerlagen. Nadat ze de prestaties ervan hadden getest, ontdekten ze dat de gereconstrueerde batterij tussen de 92,5 en 93,8

procent van de oorspronkelijke ontlaadcapaciteit behaalde.

Het onderzoek werd afgelopen juni gepubliceerd in ACS Enegry Letters onder de titel ‘Interfacial Layers to Enable Recyclability of All-Solid-State Lithium Batteries’. (doi/10.1021/acsenergylett.4c01153.)

Meer bij Penn State University>

Bacterie maakt beton van tunnel

‘zelfhelend’

De Vijf Eikentunnel in Rijen heeft een heel bijzondere wand: hij repareert zichzelf. Of eigenlijk; er zit een bacterie in die scheurtjes opvult zodra die ontstaan. Daarmee is de spooronderdoorgang het eerste infrastructurele project waarbij dit zelfhelend beton is gecombineerd met het reduceren van horizontale wapening. De tunnel is duurzamer geproduceerd en gaat naar verwachting langer mee.

In de 25 meter lange wand van de tunnel heeft aannemer Heijmans Infra zelfhelend beton aangebracht. Dit beton kan zichzelf helen wanneer er scheuren ontstaan. Er is een bijzondere hulpstof aan toegevoegd; een combinatie van bacteriesporen en voedingsstoffen. Dat levert als het ware een ‘betongeneesmiddel’ op. Voor de tunnelwand is aan elke kuub beton een mix van zes kilo bacteriesporen en voedingsstoffen toegevoegd. Als ze via een scheurtje in aanraking komt met vocht en zuurstof, wordt de bacterie in het beton actief. De bacteriën vullen de scheuren met een dichtende kalksteenlaag.

Zelfhelend beton is naar verwachting duurzamer dan traditioneel beton omdat de bacteriesporen scheuren op biologi-

sche manier herstellen. Heijmans en de TU Delft verwachten dat deze toepassing een gunstig effect heeft op de duurzaamheid en levensduur van de tunnel. Voor zelfhelend beton is bovendien tot ongeveer de helft minder horizontaal wapeningsstaal nodig. Dat staal maakt het beton sterker, maar heeft ook een groot aandeel in de CO2-uitstoot van beton: ongeveer 25 procent. Minder

wapeningsstaal betekent dus minder CO2-uitstoot.

De spooronderdoorgang in Rijen is een pilot project waarin ProRail, de provincie Noord-Brabant en Heijmans Infra samenwerken om de waterdichtheid van zelfhelend beton in de praktijk te testen.

Meer bij ProRail>

(Foto: ProRail)

Beton met bubbelwater slaat

koolstofdioxide op zonder sterkteverlies

Door tijdens het betonproductieproces koolzuurhoudend water te gebruiken in plaats van gewoon water, heeft een team van wetenschappers onder leiding van Northwestern University een nieuwe manier ontdekt om koolstofdioxide in beton op te slaan. Volgens Northwestern University kan dit nieuwe proces niet alleen helpen CO2 uit de steeds warmer wordende atmosfeer af te vangen, maar levert het ook duurzaam en supersterk beton op.

In laboratoriumexperimenten bereikte het proces een CO2-opslagefficiëntie van maximaal 45 procent, wat betekent dat bijna de helft van de CO2 die tijdens de betonproductie werd geïnjecteerd, werd opgevangen en opgeslagen. De onderzoekers hopen dat hun nieuwe proces kan helpen de CO2-uitstoot van de cement- en betonindustrie te compenseren, die verantwoordelijk zijn voor acht procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

De eenvoudigste manier om beton te maken, is door water, fijne aggregaten (zoals zand), grove aggregaten (zoals grind) en cement te mengen. Al lang is

bekend dat cement op natuurlijke wijze CO2 absorbeert. Maar de natuurlijk geabsorbeerde CO2 is slechts een fractie van de CO2 die vrijkomt bij de productie van het cement dat nodig is om beton te maken. Al sinds de jaren zeventig hebben onderzoekers daarom verschillende manieren onderzocht om meer CO2 in beton op te slaan.

Er zijn ruwweg twee soorten processen om CO2 op te slaan: verharde betoncarbonatatie en verse betoncarbonatatie. (Carbonatatie, soms ook carbonatie genoemd, is een chemische reactie waarbij koolstofdioxide reageert met calciumhydroxide waarbij onoplosbaar calciumcarbonaat wordt gevormd, als neerslag.)

Bij de verharde aanpak worden massieve betonblokken in kamers geplaatst waar CO2-gas onder hoge druk wordt geïnjecteerd. Bij de verse versie wordt CO2-gas tijdens de betonproductie in het mengsel van water, cement en aggregaten geïnjecteerd. In beide gevallen reageert een deel van de geïnjecteerde CO2 met het cement tot vaste calciumcarbonaatkristallen. Beide technieken hebben echter beperkingen: de opname is relatief

laag en het energieverbruik is hoog. In de nieuwe aanpak van Northwestern gebruikten de onderzoekers het verse betoncarbonatatieproces. Maar in plaats van CO2 te injecteren tijdens het mengen van het betonmengsel, injecteerden ze eerst CO2-gas in water gemengd met een kleine hoeveelheid cementpoeder. Na het mengen van deze gecarbonateerde suspensie met de rest van het cement en de aggregaten, bereikten ze een beton dat daadwerkelijk CO2 absorbeerde tijdens de productie. De cementsuspensie die zo is gecarbonateerd, heeft een veel lagere viscositeit dan de gebruikelijke mengsels, waardoor de meng- en reactiesnelheid veel hoger ligt. Het resultaat is een betonproduct met een aanzienlijk hogere concentratie calciumcarbonaatmineralen vergeleken met wanneer CO2 in de verse betonmix wordt geïnjecteerd. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de sterkte van hun gecarbonateerde beton vergelijkbaar - en wellicht zelfs beter - was dan die van gewoon beton. Dat is opmerkelijk, want het probleem met carbonatatie is vaak dat de sterkte wordt beïnvloed door de chemische reacties. Omdat de sterkte onveranderd blijft, veranderen de toepassingen dus ook niet. Met andere woorden: het gecarboniseerde beton van Northwestern kan net als conventioneel beton worden gebruikt in balken, platen, kolommen, funderingen - kortom, alles waar momenteel conventioneel beton voor wordt gebruikt.

Het onderzoek verscheen in juni in Commununication materials onder de titel ‘Storing CO2 while strengthening concreteby carbonating its cement in suspension.´ Het is online>

Meer bij Northwestern University>

Passief koelen met zigzag-wanden

Met het opwarmende klimaat neemt de wereldwijde vraag naar efficiënte koeling voor gebouwen toe. Stralingskoeling (RC, radiation cooling) is een interessante, elektriciteitsvrije aanpak om het energieverbruik van gebouwen te verminderen. Vandaar dat wetenschappers overal ter werel onderzoek naar het fenomeen doen. Dat onderzoek richt zich echter vooral op daken en niet zozeer op wanden.

Een team wetenschappers van de Columbia University heeft nu in samenwerking met de Henry M. Gunn High School en de University of California in Los Angeles, ontdekt dat het gebruik van een verticale zigzag-structuur op buitenmuren van gebouwen de temperatuur in de muren passief kan verlagen.

Eerder onderzoek toonde aan dat het afdekken van gebouwen met stralingskoelende materialen de hoeveelheid warmte die naar binnen komt met wel 20 procent kan verminderen. Dat komt doordat ze zo zijn gemaakt dat ze zonlicht reflecteren en warmte de ruimte in stralen. Dergelijke materialen blijken echter geschikt voor toepassing op de zijkanten van gebouwen, vanwege de hoeken die de straling daarbij moet maken en door de warmte die door de grond wordt weerkaatst.

Muren absorberen warmte, wat prima is in de winter, maar problematisch in de zomer. Daarnaast blijkt de warmte zowel van de zon als van de omgeving kan komen; vooral van andere gebouwen.

zigzagmuurontwerp kan een

Rekening houdend met beide fenomenen, brachten de onderzoekers een zigzag materiaal aan op de zijkant van een gebouwmodel. Vervolgens schilderden ze de facetten met twee verschillende coatings. De facetten die naar boven gericht waren, naar de zon, werden bedekt met emitterend materiaal, terwijl de facetten die naar beneden gericht waren een reflecterende coating kregen.

Ze plaatsten het model buiten in de zon, in de buurt van een soortgelijk model met een standaard wandbekleding, en controleerden ze periodiek de temperatuur van beide.

Ze ontdekten een gemiddeld verschil tussen de twee van 2,3 °C. Tijdens het

warmste deel van de dag was het verschil zelfs 3,1 °C.

De onderzoekers verwachten dat de door hen ontwikkelde zigzag RC-wand een nieuwe passieve oplossing kan bieden voor energiezuinige gebouwen.

Het onderzoek werd begin augustus gepubliceerd in het tijdschrift Nexus, onder de titel ‘Realizing optimal radiative cooling walls in building-energy nexus via asymmetric emissivity ‘. Het is online>

Dit

gebouw afkoelen door zowel de binnenkomende zonnestraling (geel) als warmte van de grond (rood) te reflecteren, terwijl het ook warmte, in de vorm van langgolvige infraroodstraling (blauw), terug de ruimte in straalt (Bron: V. Cheng et al/Nexus 2024)

Recycling van cementpasta: een goedkope en efficiënte manier om emissies te beperken

Het recyclen van cementpasta is een van de goedkoopste en meest efficiënte manieren om emissies van cementproductie te verminderen, zo blijkt uit een nieuwe studie die onlangs in PNAS is gepubliceerd. Het onderzoek van het Imperial College London met wetenschappers van het Zwitserse materialenonderzoeksinstituut Empa en de Technische Universiteit van Lausanne EPFL, toont aan dat dat afvalcementpasta dat CO2-mineralisatie heeft ondergaan een kosteneffectieve manier is om emissies van cement te verminderen.

Cementpasta

Uit het onderzoek bleek dat CO2- mineralisatie - een proces waarbij uitgestoten en atmosferische CO2 wordt geabsorbeerd in infrastructuur zoals beton, bakstenen, straatstenen en klinkervervangers - het potentieel heeft om de emissies van cementproductie met vijftien procent te verlagen, wat overeenkomt met 0,8 procent van de wereldwijde broeikasgasemissies in 2020. Van de tien bestudeerde technologieën die CO2 -mineralisatie gebruiken, ontdekten de onderzoekers dat gerecyclede cementpasta gemaakt van gesloopt beton het meest effectief en economisch was.

Cementpasta is een lijmachtige substantie die materialen zoals zand of grind aan elkaar bindt om beton te creëren. Gerecyclede cementpasta is meestal afkomstig van oude infrastructuur, zoals gesloopte kantoorgebouwen.

Bouwmaterialen zijn verantwoordelijk voor ongeveer dertien procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, waarvan het grootste deel afkomstig is van de productie van beton en staal. Om deze redenen zijn wetenschappers op zoek naar oplossingen om

de uitstoot van beton- en cementproductie en -gebruik te verminderen.

In het kader van hun studie keken de onderzoekers naar tien verschillende technologieën waarvan wordt beweerd effectief CO2 in cement te mineraliseren. Ze ontdekten dat slechts twee van de onderzochte methodes effectief en economisch was in het verminderen van CO2 -uitstoot van het cementproductieproces. Voor de meeste technologieën was er weinig of geen bewijs dat ze de CO2-uitstoot in de praktijk konden verminderen, ondanks dat bedrijven beweerden dat dat wel zo was. Ze ontdekten ook dat economische technologieën op basis van CO2 - mineralisatie twee tot vijf keer goedkoper zijn dan technologieën voor koolstofafvang

en -opslag (Carbon Capture and Storage, CCS), waarbij koolstof wordt afgevangen en ondergronds wordt opgeslagen. Bijkomend voordeel van CO2-mineralisatie is volgens de onderzoekers dat het een permanente oplossing is die relatief eenvoudig te beheren is. Bouwmaterialen kunnen CO2 honderden jaren opslaan in infrastructuur, en mogelijk langer wanneer gesloopte materialen worden gerecycled.

Het onderzoek verscheen op 8 juli in het tijdschrift PNAS onder de titel ‘Global decarbonization potential of CO2 mineralization in concrete materials’. Het is online>

Meer bij Empa>

Always in motion

MATERIALS ENGINEERING 2024

17 OKTOBER MIKROCENTRUM | VELDHOVEN

Materials Engineering: hét hoogwaardige congres over het toepassen van innovatieve materialen voor de hightech- en maakindustrie. Deze dag staat in het teken van kennisdeling rondom:

• Samenstellingen van materialen: kristalstructuur, chemische samenstellingen en microstructuur

• Materiaaleigenschappen: mechanische- (tribologie, trillingen), thermische-, elektrische- en magnetische eigenschappen

• Corrosie- en oppervlakteanalyse

• Oppervlaktebehandeling en functionele lagen

Kosten voor bezoekers bedragen €95,- excl. btw

MEER INFORMATIE EN AANMELDEN

Van piepschuim afval tot elektronische apparaten

Onderzoekers van de University of Delaware en Argonne National Laboratory hebben een methode ontwikkeld om afval-piepschuim om te zetten in PEDOT:PSS (poly-3,4-ethyleendioxythiofeen polystyreensulfonaat), een polymeer dat kan worden gebruikt in elektronica. De combinatie van poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) en polystyreensulfonaat (PSS) vormt een p-type halfgeleider die interessant is vanwege het vermogen om elektriciteit te geleiden en de makkelijke verwerkbaarheid.

Sterker nog: PEDOT:PSS wordt gezien als een van de meest succesvolle geleidende polymeren. Het is compatibel met veel verwerkingstechnieken, waaronder dipcoating, spincoating, spraycoating, inkjetprinting, zeefdrukken en soortgelijke technieken.

De onderzoeksgroep onder leiding van assistent professor Laure Kayser zocht naar een nieuwe, efficiëntere manier om PEDOT:PSS te synthetiseren uit plastic

Onderzoekers van de UD (van

tot uiterst

Argonne National Laboratory (linksonder) voerden onderzoek uit dat aantoont hoe afval-piepschuim kan worden omgezet in polymeren voor elektronische materialen (Foto: UD)

afval door sulfonering van polystyreen (piepschuim), dat veel wordt gebruikt in verpakkingsmateriaal. Sulfonering is een gebruikelijk chemisch proces waarbij een waterstofatoom wordt vervangen door

Sulfonering van polystyreen (PS) tot poly(styreensulfonaat) (PSS). (a) Eerdere methodes lieten mogelijke defecten zien die voortkwamen uit nevenreacties. (b) In het onderzoek werd gebruikgemaakt van een stoichiometrisch en regenereerbaar imidazoliumzout [Dsim]Cl

sulfonzuur. Die sulfoneringsreacties kunnen ‘hard’ of ‘zacht’ zijn. In het eerste geval wordt een hogere conversie-graad gehaald, maar er zijn wel agressieve reagentia voor nodig. De zachte variant verloopt op mildere condities, maar is minder efficiënt. De onderzoekers wilden iets daartussenin: een hoge opbrengst aan functionaliteit, maar tegelijk met een relatief mild reagens. Het team onderzocht de prestaties van verschillende organische oplosmiddelen in uiteenlopende molaire verhoudingen van het sulfoneringsmiddel onderzocht bij verschillend temperaturen en reactietijden. Ze wisten reactieomstandigheden te vinden die resulteerden in een hoge polymeersulfonering, minimale defecten en een hoge efficiëntie, en dat alles met een mild sulfoneringsmiddel. Het proces draait om 1,3-disulfonzuurimidazoliumchloride ([Dsim]Cl), een op sulfonzuur gebaseerde ionische vloeistof, die kan worden gebruikt om aromatische polymeren te sulfoneren en plastic afval te upgraden naar elektronische materialen. De onderzoekers wisten aan te tonen dat stoichiometrisch [Dsim]Cl model-

linksboven

rechts) Laure Kayser, Chun-Yuan Lo en Kelsey Koutsoukos en David Kaphan van het

polystyreen effectief tot 92 procent kan sulfoneren, met minimale defecten. Met het gebruik van [Dsim]Cl bleek ook controle van de mate van sulfonering van polystyreen mogelijk. En omdat de onderzoekers polystyreen, specifiek afval-piepschuim, als startmateriaal konden gebruiken, is hun methode ook een efficiënte manier om plastic afval om te

zetten in PEDOT:PSS. Volgens de onderzoekers is de methode ook toepasbaar op een breed scala aan aromatische polymeren, waaronder andere soorten afvalplastic.

Het onderzoek werd begin juli gepubliceerd in ACS JACS Au onder de titel ‘Imidazolium-Based Sulfonating Agent

to Control the Degree of Sulfonation of Aromatic Polymers and Enable Plastics-to-Electronics Upgrading’. Het is online>

Meer bij de University of Delaware>

Hoogwaardige biologisch afbreekbare luminescentiepolymeren

Luminescerende polymeren zijn flexibele materialen die lichtgevende moleculen bevatten. Ze worden gebruikt in een heel scala aan toepassingen binnen de elektronica. Maar zodra ze in het afvalstadium terechtkomen, belanden ze meestal op stortplaatsen. Het recyclen van dit elektronische afval is complex, duur en energie-inefficient. Hoewel er een economische prikkel is om de belangrijkste halfgeleidende materialen te recyclen, is er eigenlijk geen geschikte methode om dat te doen.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), en wetenschappers van de University of Chicago, Purdue University en Yale University hebben daar nu een oplossing voor gezocht en wellicht ook gevonden. Het team ontwikkelde een strategie om hoogwaardige, luminescerende polymeren te ontwerpen die zowel biologisch afbreekbaar als recyclebaar zijn: zogenaamde thermally activated delayed fluorescence (TADF) polymeren. De truc zit erin om in de luminescerende polymeren een tert-butylester op te nemen, een chemische stof die kan afbreken bij blootstelling aan hitte of in een mild zuur milieu.

Uit tests bleek vervolgens dat de externe kwantumefficiëntie (een indicator van

de prestaties van de lichtbron) een score opleverde van 15,1 procent in elektroluminescentie, tien keer meer dan bestaande afbreekbare luminescentiepolymeren.

De onderzoekers denken dat het nieuwe polymeer kan worden toegepast in bestaande technologieën, zoals displays en medische beeldvorming, en nieuwe

toepassingen mogelijk kan maken. Het onderzoek werd eind juli gepubliceerd in Nature Sustainability onder de titel ‘Depolymerizable and recyclable luminescent polymers with high light-emitting efficiencies’ (doi.org/10.1038/ s41893-024-01373-z)

Meer bij de University of Chicago>

Nieuwe methode maakt ontwerp van lichtgevende halfgeleiders mogelijk die zowel biologisch afbreekbaar als recyclebaar zijn (Afbeelding door Jie Xu en Yukun Wu)

3D-geprinte keramiek haalt PFAS

uit water

Onderzoekers van de Universiteit van Bath hebben een nieuwe manier bedacht om schadelijke stoffen als PFAS uit water te halen. Volgens de wetenschappers verwijdert hun methode ten minste 75 procent van het perfluoroctaanzuur (PFOA), een van de meest voorkomende perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen (PFAS), uit water.

PFAS is een groep chemische stoffen die bekend staat als zogenaamde ‘forever chemicals’: stoffen die niet of nauwelijks afbreekbaar waren en voor eeuwig in het milieu aanwezig zouden blijven. Ze zijn niet alleen lastig te verwijderen, maar staan er bovendien om bekend dat ze gezondheidsproblemen veroorzaken. Kern van de methode die door de onderzoekers uit Bath is ontwikkeld, zijn 3D-geprinte, keramische monolieten van indiumoxide, een materiaal dat PFAS bindt. De in Bath bedachte indiumoxide-inkt wordt met behulp van een extruder tot vier centimeter grootte, roostervormige filters geperst - zogenaamde monolieten - die vervolgens worden gesinterd. Zodra de monolieten gereed zijn, worden ze simpelweg in het te zuiveren water gelegd en doen ze hun werk. Na gebruik kan het keramiek thermisch worden geregenereerd en op nieuw gebruikt.

Uit onderzoek is gebleken dat 3D-geprinte keramische roosters schadelijke 'eeuwige chemicaliën' uit water verwijderen (Foto: Universiteit

Hoewel tests tot nu toe hebben uitgewezen dat de monolieten 75 procent van de PFAS uit water verwijderen, denkt het team door verdere procesoptimalisatie de efficiëntie van het proces aanzienlijk te kunnen verhogen. Tests hebben verrassend genoeg aangetoond dat het materiaal effectiever wordt bij herhaald gebruik. Met verder onderzoek willen de onderzoekers dat mechanisme beter leren begrijpen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in The Chemical Engineering Journal onder de titel ‘3D-printed indium oxide monoliths for PFAS removal’. Het is online>

Meer bij Bath University>

Word nu lid op natuurmonumenten.nl en ontvang 4 x per jaar het magazine Puur Natuur

van Bath)

Ultrasterke aluminiumlegeringen voor 3D-printen

Onderzoekers van de Amerikaanse Purdue University (West Lafayette) hebben een materiaal ontwikkeld waarmee ultrahogesterkte-aluminiumlegeringen kunnen worden ge3D-print.

De meeste commercieel verkrijgbare hogesterkte-aluminiumlegeringen kunnen niet of lastig worden gebruikt voor 3D-printen. Ze zijn gevoelig voor warmtescheuren, wat defecten veroorzaakt die ten koste kunnen gaan van de kwaliteit van de legering. Een beproefde methode om warmscheuren tijdens additieve productie te verminderen, is het toevoegen van deeltjes die aluminiumlegeringen versterken, maar het effect daarvan liet tot dusver te wensen over. De Purdue-onderzoekers zijn er nu in geslaagd om supersterke intermetallische legeringen te maken door gebruik te maken van verschillende overgangsmetalen, waaronder kobalt, ijzer, nikkel en titanium, iets wat eerder kennelijk nooit was gelukt. Een intermetallische verbinding is een homogene chemische

verbinding van twee of meer metalen. In tegenstelling tot legeringen hebben in-termetallische verbindingen een roosterstructuur die verschilt van die van de samenstellende metalen. In geval van

aluminiumlegeringen zijn de kristalstructuren niet erg symmetrisch en zijn bij kamertemperatuur bros. Maar met de Purdue-methode vormen de overgangsmetalen een soort roosterstructuur die de brosheid van de intermetallische verbindingen grotendeels onderdrukt. Het onderzoeksteam heeft verschillende tests uitgevoerd, waaruit onder meer bleek dat de legeringen zowel uitstekende plastische vervormbaarheid vertoonden en tegelijk super sterk waren, meer dan 900 megapascal. Volgens Purdue lijkt het materiaal daarmee vooral interessant voor toepassing in de lucht- en ruimtevaart en automobielproductie. Inmiddels is er octrooi om het materiaal aangevraagd en wordt gezocht naar partners om de methode te commercialiseren.

Het onderzoek werd in juni gepubliceerd in Nature Communications onder de tite ‘Additive manu-facturing of an ultrastrong, deformable Al alloy with nanoscale intermetallics’. Het is online>

Meer bij Purdue>

Professor Xinghang Zhang (rechts) van Purdue University en assistent-onderzoeker Anyu Shang aan het werk met een 3D-printer in het Flex Lab in het Discovery Park District van Pur-due (Foto Purdue University/Huan Li)

(Foto: Purdue University foto/Anyu Shang)

Hoe onderzoekers bacteriën omvormen tot celluloseproducerende minifabriekjes

Onderzoekers van de ETH Zürich hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de productie van cellulose door bacteriën. Ze hebben meer dan 40.000 varianten van de celluloseproducerende bacterie Komagataeibacter sucrofermentans ontwikkeld. Uiteindelijk ontdekten ze vier varianten die 50 tot 70 procent meer cellulose produceren dan de originele bacteriestam. De wetenschappers hebben inmiddels patent aangevraagd voor hun innovatieve methode en de nieuwe bacteriële varianten.

Bacteriën zoals K. sucrofermentans zijn bijzonder interessant omdat ze zuivere cellulose produceren, een materiaal dat veel gebruikt wordt in de biomedische sector en in de productie van verpakkingsmateriaal en textiel. De cellulose van deze bacteriën heeft eigenschappen die wondgenezing bevorderen en

infecties helpen voorkomen. Nadeel is dat de bacteriën langzaam groeien en slechts kleine hoeveelheden cellulose produceren, wat grootschalige industriële toepassingen moeilijk maakt. Om die reden heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor André Studart een nieuwe methode ontwikkeld. In plaats van traditionele genetische modificatie of langdurige selectieve kweek, pasten ze een methode toe die is gebaseerd op evolutie en natuurlijke selectie. Daarbij werden de bacteriecellen blootgesteld aan UV-C-licht, wat het DNA beschadigt en willekeurige mutaties veroorzaakt. Vervolgens werden de bacteriën in een donkere omgeving geplaatst om te voorkomen dat het DNA zou herstellen, met als doel om mutaties te stimuleren. Elke gemuteerde bacteriecel werd daarna geïsoleerd in een klein

druppeltje voedingsoplossing, waar ze de kans kregen om cellulose te produceren. Na een bepaalde periode bepaalden de onderzoekers met behulp van fluorescentiemicroscopie welke cellen de meeste cellulose hadden geproduceerd. Dankzij een geautomatiseerd sorteersysteem, ontwikkeld door ETH Zürich, konden de mutanten die het meest productief waren, snel worden geïdentificeerd. Uiteindelijk bleven er vier varianten over die aanzienlijk meer cellulose produceerden dan de oorspronkelijke stam. Volgens de onderzoekers is hun methode niet alleen geschikt voor celluloseproducerende bacteriën. Ze zien ook mogelijkheden om deze techniek toe te passen op bacteriën die andere materialen maken, zoals eiwitten of enzymen. De volgende stap in hun onderzoek is samenwerken met bedrijven die gespe-

Bacteriële cellulose in natte toestand (Afbeelding: Peter Rüegg/ETH Zürich)

cialiseerd zijn in bacteriële celluloseproductie, om de prestaties van de nieuwe micro-organismen onder echte industriele omstandigheden te testen. De onderzoekers verwachten dat hun bevindingen kunnen bijdragen aan efficiëntere productieprocessen in verschillende industrieën en de beschikbaarheid van biologisch afgeleide materialen kunnen vergroten.

Het onderzoek biedt volgens de ETHZ veelbelovende vooruitzichten voor duurzame productie en kan leiden tot belangrijke verbeteringen in de manier waarop biologische materialen worden geproduceerd.

De resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in PNAS onder de titel ‘Directed evolution of material-producing microorganisms’ (https:// doi.org/10.1073/pnas.240358512). Het is online>

Meer bij ETHZ>

Afbeelding laat zien hoe individuele cellen in kleine blaasjes worden verpakt. Met dit microformaat sorteersysteem kunnen individuele cellen in kleine belletjes worden verpakt (Video: Julie Laurent/ETH Zürich) (Klik op de afbeelding voor de bewegende animated GIF)

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.

ND 600HDSV drainage systeem

ND 600HDSV is een hoogwaardig, CE-gemarkeerd drainagesysteem. Het bestaat uit een monofilament filtergeotextiel, een geperforeerde kern en een drukverdelend geotextiel. Speciaal geschikt voor het aanbrengen van beloopbare en berijdbare bestrating op funderingslagen van stortmateriaal en drainagebeton op een omgekeerd dak.

Magna glaskeramik

Meer bij Material District>

Magna Glaskeramik is een duurzaam glasproduct, gemaakt is van 100 procent gerecyclede glazen flessen en bedoeld voor design en architectonische toepassing. Het wordt op de markt gebracht door Kerna Luxury Stones uit het Nederlandse Bladel, met een maximale afmeting van 2800 x 1250 mm (tot 3500 x 1500 mm op aanvraag) en een standaarddikte van 20 mm (1540 mm op aanvraag).

Meer bij MaterialDistrict>

Een lamp van industrieel afval

Lamp - Ramli - is gemaakt van industrieel afval, zoals fijn puin en puin. Doel van het project is om nieuwe waarde te ontdekken voor afvalmaterialen die moeilijk te recyclen zijn en vaak op stortplaatsen terecht komen. De lamp wordt op de markt gebracht door ‘Urban Origin’, een project van We+ en Ambientec.

Meer bij MaterialDistrict>

iCell Skiva

iCell Skiva is een flexibele isolatiemat voor muren, daken en vloeren. Het materiaal is gemaakt van gebruikte kranten, pure cellulosevezels en zachthout. De mat wordt bij elkaar gehouden met bindvezels. iCell Skiva is volgens de Zweedse producent een prima thermisch isolatiemateriaal dankzij de lage warmtegeleiding en hoge luchtstroomweerstand die convectie tegengaat.

Meer bij MaterialDistrict>

3D-geprint plafond van cellulose

Voor het restaurant CAAA van Pietro Catalano in Zwitserland ontwierp de Spaanse studio External Reference uit Barcelona een 3D-geprint plafond van houtcellulose en PLA. De structuur van het plafond bestaat uit een driedimensionale 3D-geprinte constructie die volgens de ontwerpers refereert aan de Zwitserse Alpen.

CapsPlate

Meer bij MaterialDistrict>

WasteCraft ontwikkelde een handgemaakt plaatmateriaalCapsPlate - gefabriceerd van verzamelde, geselecteerde en gereinigde gerecyclede plastic flessendoppen. Het bedrijf voegt wit geregranuleerd PE-materiaal toe dat volgens de fabrikant een fysiek sterk en esthetisch opvallend eindresultaat oplevert.

Kunrader

Meer bij MaterialDistrict>

Kunrader is een karakteristieke harde kalksteen geschikt voor dragende muren tot interieurdetails en andere architectonische toepassingen. Kunradersteen lijkt op mergelkrijtgesteente (of 'Limburgse mergel'), maar is veel harder omdat het veel compacter is en geen klei bevat. Het soortelijk gewicht is ongeveer 2320 kg/m3 en de drukweerstand circa 1000 kg/cm2. Kunradersteen brokkelt niet en is bestand tegen vorst.

Meer bij MaterialDistrict>

DTU-onderzoeker Mohamad Khoshkalam heeft een nieuw materiaal uitgevonden op basis van rotssilicaten voor een vaste elektrolyt die het potentieel heeft om lithium te vervangen in toekomstige elektrische autobatterijen (Foto: Frida Gregersen DTU)

'Toekomstige superbatterij voor elektrische auto's is van steen'

Volgens Deense wetenschappers zullen solid-state batterijen gemaakt van rotssilicaten over tien jaar een milieuvriendelijker, efficiënter en veiliger alternatief zijn voor de huidige lithium-ionbatterijen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Denemarken (Danmarks Tekniske Universitet, DTU) hebben onlangs een nieuw superionisch materiaal gepatenteerd op basis van kaliumsilicaat - een mineraal dat kan worden gewonnen uit natuurlijk steen.

Een lithium-ion-accu (Li-ion-accu) is een oplaadbare batterij die vaak in consumentenelektronica en elektrische auto's wordt gebruikt, vooral vanwege de hoge energiedichtheid en lange levensduur. Het is momenteel de meest gebruikte accu voor elektrische auto's. Maar er zijn nadelen, in termen van capaciteit, veiligheid (explosiegevaar) en ook beschikbaarheid. Omdat lithium een duur, milieubelastend materiaal is en de schaarste van het relatief zeldzame metaal de groene transitie van autotransport kan belemmeren. Bovendien zijn lithi-

um-ion-accu’s complex en bevatten veel verschillende materialen, zoals lithium, mangaan, kobalt en nikkel in verschillende verhoudingen, wat recyclage ingewikkeld en vaak economisch onaantrekkelijk maakt.

Om die reden proberen wetenschappers over de hele wereld een alternatief te vinden voor meer duurzame batterijen, liefst op basis van andere materialen, die minstens zo efficiënt zijn, maar milieuvriendelijker en goedkoper om te produceren. Onderzoeker Mohamad Khoshkalam heeft nu een materiaal

ontwikkeld waarvan wordt verwacht dat het in de toekomst mogelijk lithium kan vervangen. Het gaat om zogenaamde solid-state batterijen op basis van kalium- en natriumsilicaten, die kunnen worden gewonnen uit rotssilicaten: een van de meest voorkomende mineralen in de aardkorst. Het gaat om een materiaal dat niet gevoelig is voor lucht en vochtigheid, waardoor is het mogelijk om er een papierdunne laag van te

Stap 2: Het poeder wordt gemengd met een bindmiddel en een oplosmiddel en de vloeibare oplossing wordt op een rol gegoten die het materiaal in een dunne laag uitrolt

Stap 3: De oplossing wordt uitgerold tot een papierdunne witte laag. De kwaliteit van het materiaal wordt gecontroleerd om fouten in de dikte te voorkomen, bijvoorbeeld voordat het materiaal wordt gevormd en gedroogd

vormen. Volgens DTU is het potentieel van het melkwitte, papierdunne materiaal enorm. Het is goedkoop, milieuvriendelijk materiaal en kan simpelweg worden gewonnen uit silicaten, die meer dan 90 procent van het aardoppervlak uitmaken. De mogelijkheden van kaliumsilicaat als vaste elektrolyt is al lang bekend, maar het principe is nooit geoptimaliseerd zoals dat nu in Denemarken is gebeurd.

4: Het materiaal wordt gevormd als lange, dunne witte tapes en gedroogd in een tape caster. Er kan tot tien meter tapemateriaal tegelijk worden geproduceerd

Stap 5: Laatste kwaliteitscontrole van de solid state elektrolyt. Deze wordt vervolgens geassembleerd tot een solid state batterijcel, samen met de anode en kathode

Stap

Stap 1: Een poeder maken op basis van kaliumsilicaat

Stap 6. Hybride solid state batterijcel geassembleerd in een folie

Een elektrolyt - een vloeistof of vast materiaal speelt een cruciale rol in een batterij. De elektrolyt is het medium dat de verbinding vormt tussen de twee polen (anode en kathode) van een elektrochemische energiedrager zoals een batterij. Ze zorgt ervoor dat de ionen tussen de anode en kathode van de batterij kunnen bewegen, en is verantwoordelijk voor zowel de batterijcapaciteit, oplaadtijd, levensduur als veiligheid. Een lithium-ionbatterij werkt door lithiumionen door een elektrolytvloeistof te

Solid-state batterijen

verplaatsen van de kathode (gemaakt van een mix van metalen, waaronder lithium en kobalt) naar de anode (meestal) gemaakt van grafiet). Lithium-ion- en kalium-ionbatterijen werken op dezelfde manier, waarbij lithium eenvoudigweg is vervangen door kalium. (Er wordt wereldwijd overigens ook onderzoek gedaan naar natrium-ion-, aluminium-ion- en magnesium-ionbatterijen.)

In een vastestof- of solid-statebatterij migreren de ionen niet door een elek-

trolytvloeistof, maar door een ultradun, vast materiaal dat een solid-state elektrolyt wordt genoemd. Dit materiaal kan bestaan uit lithium, natrium, kalium, in de vorm van oxiden en sulfiden. De geleidbaarheid van de elektrolyt hangt af van hoe snel de ionen zich in de elektrolyt kunnen bewegen. De ionen in rotssilicaten bewegen over het algemeen langzamer dan de ionen in lithiumgebaseerde vloeibare elektrolyten of vaste elektrolyten, omdat ze groter en zwaarder zijn. Maar Mohamad Khoshkalam heeft een manier gevonden om de ionen veel sneller te laten bewegen dan in lithiumgebaseerde elektrolyten. Inmiddels heeft hij een patent op het materiaal verkregen en wil nu met de door hem opgerichte startup K-ion die vaste elektrolyt componenten op basis van Kaliumsilicaten voor batterijbedrijven gaat ontwikkelen.

(Overigens doet hij vanwege dat patent geen verdere mededelingen over de methodiek.)

De volgende stap voor Mohamad Khoshkalam en zijn team is het ontwikkelen van een demobatterij die bedrijven en potentiële investeerders kan laten zien dat het materiaal werkt. Naar verwachting is er binnen een tot twee jaar een prototype klaar.

Meer bij DTU>

(Foto’s: Frida Gregersen/DTU)

Solid-state batterijen zouden het vanwege hun structuur mogelijk maken om in de toekomst veel krachtigere en compactere batterijen te ontwikkelen. Prognoses wijzen op een rijbereik van 1.000 km op één lading van tien minuten. Daarnaast zijn solid-state batterijen veiliger, omdat ze geen brandbare vloeistof bevatten. Onderzoekers en fabrikanten van elektrische auto's beschouwen solid-state batterijen daarom als de toekomst. Toyota heeft aangekondigd dat ze in 2027 - 2028 een elektrische auto met een lithium solid-state batterij willen lanceren. Echter, er zijn nog uitdagingen voordat deze batterijen op de markt kunnen komen. Het opschalen van de technologie is moeilijk en duur, en er zijn nieuwe productie- en verzegelmethoden nodig om de ultradunne lagen intact te houden. Bovendien hebben kalium- en natriumsilicaat solid-state batterijen een lage Technology Readiness Level, wat betekent dat ze nog minimaal tien jaar verwijderd zijn van commerciële toepassing.

on Super Skin

Nieuw proces voor 3D-printen van gesmolten high-res

silica-onderdelen

Het Oostenrijkse bedrijf UpNano GmbH heeft een nieuw productieproces ontwikkeld voor 3D-geprinte objecten van gesmolten kwarts. De nieuwe technologie maakt het mogelijk om zeer nauwkeurige onderdelen in het millimeter- en centimeterbereik te produceren. Het proces is gebaseerd op de innovatie van het Duitse Glassomer GmbH en is geoptimaliseerd voor 3D-printen met twee-foton polymerisatie (2PP). Dat gebeurt met UpNano's NanoOne hoge-resolutie printsysteem, dat gedetailleerde structuren in glas kan maken over een breed scala van schaalgroottes.

Het maken van complexe 3D-objecten van glas is een lastig proces. Dit geldt vooral voor hoogwaardig gesmolten silicaglas (SiO₂), door zijn hoge smeltpunt. Bestaande methoden, zoals het smelten van glasvezels met laserstralen of gesmolten depositiemodellering voor sodakalkglas, zijn vaak niet commercieel beschikbaar. Het gevolg is dan vaak een product met ruwe oppervlakken. De samenwerking tussen UpNano en Glassomer heeft nu een snel 3D-printproces opgeleverd. Hiermee worden gladde silica-onderdelen geproduceerd met eigenschappen in het micrometerbereik.

Het proces verloopt in drie stappen. Eerst wordt de gewenste structuur ontworpen en geprint met de voordelen van 2PP 3D-printen. Daarna wordt het organische bindmiddel verwijderd. Vervolgens ondergaat de structuur een sinterproces bij hoge temperatuur. Het nieuw ontwikkelde nanocomposiet ‘UpQuartz’ speelt hierin een belangrijke rol. Dit materiaal bestaat uit SiO₂-nanodeeltjes en een speciale polymeermatrix. Daarmee wordt in de eerste fase een ‘groen deel’ geprint dat de vorm van het uiteindelijke product heeft. Door verhitting tot 600 °C wordt de polymeermatrix verwijderd. Dit laat een ‘bruin deel’ achter, bestaande uit de SiO₂-nanodeeltjes.

Gefuseerde silica ferrule-buisjes met een binnendiameter van 126 µm, gelijk aan de buitendiameter van standaard glasvezels. Deze ferrules worden gebruikt voor het monteren en verbinden van kale optische glasvezels. Door de lage en nauwkeurig afgestemde thermische uitzettingscoëfficiënt van de gefuseerde silica ferrule en de optische glasvezel is UpQuartz een geschikt materiaal voor deze toepassing (Foto: UpNano)

Het gefuseerde silicafilterelement heeft poriën van 180 µm. Het filter is 3,6 mm lang met een binnendiameter van 875 µm en is uitgerust met een montageflens. Het filterelement is bestand tegen hoge temperaturen en zware chemische omstandigheden dankzij het gebruik van gesmolten silicaglas (Foto: UpNano)

Een 3D-geprinte Eiffeltoren, vervaardigd van UpQuartz, toont de complexiteit en precisie die met dit materiaal mogelijk is. De toren is 10 mm hoog en bevat ingewikkelde details met een omvang van soms slechts enkele tientallen micrometers (Foto: UpNano)

Vervolgens wordt de structuur verhit tot 1.300 °C. Dat leidt tot een isotrope krimp van ongeveer 30 procent, die eenvoudig gecompenseerd kan worden door het ontwerp vooraf te vergroten met de software van UpNano.

Het nieuwe 3D-printproces is geschikt voor het maken van grotere glazen onderdelen met hoge resolutie en precisie. Het is volgens de ontwikkelaars geschikt voor toepassingen in de technische, chemische en medische sectoren. Gesmolten silica heeft uitstekende optische eigenschappen, is biocompatibel en chemisch inert, en bestand tegen hoge

temperaturen. Dit maakt het geschikt voor een breed scala aan toepassingen.

De productie van gesmolten silica-objecten door 2PP 3D-printen is het resultaat van een samenwerking tussen UpNano en Glassomer. Glassomer maakte eerder de productie van deze objecten mogelijk via technieken als zachte lithografie en spuitgieten. Volgens de ontwikkelaars van de nieuwe techniek kan nu ook 2PP 3D-printen worden ingezet voor de productie van gesmolten silica-objecten.

Meer bij UpNano>

Maas krijgt 3D-geprinte, keramische riffen voor meer flora en fauna

Rijkswaterstaat wil de doorstroming van (hoog)water en het verbeteren van de ecologische waterkwaliteit en riviernatuur zo veel mogelijk combineren. Daaronder valt ook het tegengaan van de te ver voortschrijdende afkalving van een oeverstrook. Langs de Maas bij Oeffelt worden daarvoor zogenaamde ‘tidal reefs’ gebruikt; 3D-geprinte, keramische kleiriffen.

De oever van de Maas bij Oeffelt is een natuurvriendelijke oever, wat betekent dat er een geleidelijke overgang is van water naar land met ondiepe delen. Dat zorgt voor een gunstig leefgebied voor diverse planten, vissen en waterdieren. Hoewel afkalving van dergelijke oevers een natuurlijk proces is, kan het soms te ver gaan, waardoor ingrijpen noodzakelijk wordt.

Deze zomer is begonnen met het herstel van de afgekalfde oever en het aanbrengen van een verdedigingssysteem. Op enkele meters uit de kant zal een talud

worden gevormd om de golfslag te breken, waardoor nieuwe, snelle afkalving wordt voorkomen.

In plaats van de gebruikelijke stortstenen worden er vijftien, zogenaamde tidal reefs ingezet, met een omvang van ongeveer 350 x 350 x 700 mm. Deze door Urban Reef ontwikkelde, 3D-geprinte en gebakken keramische getijden-riffen bestaan uit een complex netwerk van holtes en hebben een ruw oppervlak. Daardoor kunnen verschillende vormen van riviernatuur zich nestelen en leven in een beschutte omgeving, zelfs bij sterke

stroming in de Maas. Dat bevordert de biodiversiteit, de ecologische waterkwaliteit en de stabiliteit van de oever. In beginsel gaat het om een pilot met als doel te onderzoeken of 3D-geprinte keramieken reefs de biologische leefomstandigheden kunnen verbeteren en daarmee de biodiversiteit kunnen stimuleren. De complexe vormen van de reefs zorgen ervoor dat er veel verschillende ruimtes ontstaan van diverse formaten. De structuren zijn allemaal anders georiënteerd ten opzichte van onder andere de zon, de wind, de regen, de stroming

van de rivier et cetera. Hierdoor ontstaan potentiële leefomgevingen en schuilplaatsen voor een scala aan uiteenlopende organismen. Daarnaast is de textuur van het materiaal geschikt voor algen en/of mossen om op te groeien. De reefs worden ontworpen met algoritmes die zijn gebaseerd op organische groeiprocessen. Daardoor kan met de gewenste complexiteit worden ontworpen en ontstaan natuurlijke variaties in condities.

Urban Reef zegt voor keramiek te hebben gekozen omdat het een relatief duurzaam materiaal is dat precies de eigenschappen heeft - constructieve waarde, porositeit, capillaire werking, textuur - die past bij de beoogde toepassingen. Daarnaast is de klei een natuurlijk materiaal en is het printbaar in de gewenste geometrische complexiteit.

De Tidal Reefs werden gefabriceerd met Liquid Deposition Modeling (LDM) printen, waarbij klei door buizen wordt geëxtrudeerd en de viskeuze klei laagje voor laagje precies op de juiste plaats wordt aangebracht. Hierna worden de prints ongeveer twee weken gedroogd en ten slotte afgebakken in een keramiekoven. In de pilot worden vooralsnog vijftien reefs geïnstalleerd in een stortstenen vooroever. Ze worden zowel onder water, boven water, halverwege en aan de stroom- en luwe kant van de vooroever geplaatst om met verschillende condities te experimenteren. Blom Ecologie1

Urban Reef

Urban Reef werd opgericht in 2021 door ontwerper en landschapsarchitect Pierre Oskam en architect Max Latour. Onder het adagium ‘Steden zijn de thuisbasis van alle vormen van leven, niet alleen van mensen,’ ontwerpt en fabriceert Urban Reef zogenaamde ‘open habitats’ die de groei en diversiteit van het leven in stedelijke omgevingen (straatbeelden, pleinen en gebouwen) stimuleren. De prototypes - reefs - zijn ontworpen als een soort biologisch eiland dat niet alleen afwijkt van wat normaliter als een stedelijke omgeving wordt gezien, maar die ook verrijkt zijn met nieuwe levensvormen. De riffen worden gemaakt met behulp van biobased algoritmen en worden 3D-geprint met (levende) materialen. Door de geometrie, maar ook door zonlicht, water, voedingsstoffen en mineralen, leveren de riffen een reeks microklimaten en zorgen voor de ontwikkeling van ecologische biodiversiteit in de stad. Urban Reef voerde inmiddels verschillende projecten uit in binnen- en buitenland.

Meer bij Urban Reef>

verzorgt de monitoring, waarin speciaal wordt ingezet op KRW-waarden. Het pilotproject is onderdeel van een onderzoek naar in welke vorm de reefs een bijdrage kunnen leveren en aan wie. Daarnaast doet Urban Reefs materiaalonderzoek, bijvoorbeeld naar de circulariteit van het materiaal. Daarbij wordt onder meer gekeken naar manieren waarmee de reefs kunnen worden gemaakt van de kleifractie uit lokale baggerspecie; onderzoek dat wordt uitgevoerd in samenwerking met Blauwe Bagger2

Uit onderzoek en monitoring moet blijken of de reefs goed dienen als dam, bestand zijn tegen de stroming en omstandigheden en vooral of ze een daadwerkelijk een bijdrage leveren aan de biodiversiteit.

De klei die nu wordt gebruikt om de reefs te maken is nog niet afkomstig uit het Maasheggengebied. Volgende stap is om tidal reefs te maken met lokaal gewonnen grondstof.

1 Blom Ecologie (Waardenburg) is een landelijk werkend adviesbureau voor ecologische vraagstukken in natuur, landelijk en stedelijk gebied.

2 Blauwe Bagger uit Rotterdam is een bedrijf dat zich bezighoudt met het valoriseren van bagger voor de bouw, met het doel om een duurzame en circulaire baggerketen te organiseren. Met een serie innovatieve technieken wordt baggerspecie effectief in vier aparte zuivere stromen gescheiden: zand, klei, organisch materiaal en fosfaat. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt in hoogwaardige toepassingen in de bouw of landbouw. Met deze aanpak wil Blauwe Bagger het overschot van baggerspecie oplossen en tegelijkertijd het tekort aan grondstoffen aanpakken.

Video

Winning zeldzame aardmetalen uit elektronisch afval

ETH-onderzoekers ontwikkelen een proces geïnspireerd door de natuur dat efficiënt europium uit oude fluorescentielampen terugwint. Hun aanpak zou kunnen leiden tot de langverwachte recycling van zeldzame aardmetalen.

Zeldzame aardmetalen zijn niet zo zeldzaam als de naam doet vermoeden. De naam is een vertaling van het Franse terre, dat vroeger echter ook oxide kon betekenen. Omdat men in het begin van de 19e eeuw aannam dat deze elementen relatief zeldzaam waren ontstond de naam zeldzame aarden of -aardmetalen. Tegenwoordig is echter bekend dat de meeste zeldzame aarden allesbehalve zeldzaam zijn. Het gaat om een groep van zeventien metalen die onmisbaar zijn voor de huidige economie en worden gezien als essentiële grondstoffen voor digitalisering en de energietransitie. Ze zijn essentieel onderdeel van smartphones, computers, schermen en batterijen. Probleem is dat Europa

vrijwel volledig afhankelijk is van import uit China. Om die reden worden deze grondstoffen als kritisch beschouwd.

Extractie

Zeldzame aardmetalen zijn niet alleen door de geopolitieke verhoudingen lastig te bemachtigen, ze zijn ook kritisch vanwege hun extractie. Ze komen altijd in samengestelde vorm voor in natuurlijke ertsen, maar omdat deze elementen chemisch gezien erg op elkaar lijken, zijn ze lastig te scheiden. Traditionele scheidingsprocessen zijn daarom zeer chemisch en energie-intensief en vereisen meerdere extractiestappen. Dit maakt de extractie en zuivering van deze metalen duur, tijdrovend en extreem

schadelijk voor het milieu. Onderzoekers van Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) hebben een proces ontwikkeld waarmee efficiënt en relatief makkelijk europium kan worden teruggewonnen uit oude fluorescentielampen.

ETH-doctoraatstudent Marie Perrin presenteert de nieuwe recyclingaanpak. In haar linkerhand houdt ze de grondstof vast in de vorm van een fluorescentielamp en in haar rechterhand het gele reagens dat zeldzame aardmetalen kan scheiden (Foto: Fabio Masero / ETH Zürich)

Video: Snelle recycling van europium uit fluorescentielampen (Video: Marie Perrin/ETH Zürich)

Sleutel

Bestaande scheidingsmethoden zijn gebaseerd op ingewikkelde vloeistof-vloeistof extractie-processen en zijn inefficiënt. Om die reden is het recyclen van europium tot dusver niet van de grond gekomen. In hun studie laten de ETHZ-onderzoekers zien hoe een eenvoudig anorganisch reagens de scheiding aanzienlijk (naar verluidt meer dan een factor 50) kan verbeteren.

De sleutel tot de nieuwe techniek ligt in kleine anorganische moleculen met vier zwavelatomen rond wolfraam of molybdeen: zogenaamde tetrathiometallaten. Deze tetrathiometallaten komen voor in natuurlijke enzymen als functionele groep die metalen kan binden. Die eigenschap wordt onder meer gebruikt in actieve stoffen tegen kanker en kopermetabolismestoornissen.

Voor het eerst worden tetrathiometallaten nu ook gebruikt als liganden voor de scheiding van zeld-zame aardmetalen. In het door ETHZ ontwikkelde proces spelen bovendien de typische redoxeigen-schappen een belangrijke rol.

Daarbij wordt europium gereduceerd tot een voor het metaal ongebrui-kelijke tweewaardige toestand en wordt de scheiding van de andere driewaardige zeldzame aardmetalen een stuk makkelijker.

De onderzoekers hebben inmiddels hun technologie gepatenteerd en zijn bezig met het oprichten van een start-up genaamd REEcover om de techniek te commercialiseren. Ze werken momenteel aan het aanpassen van het scheidingsproces voor andere zeldzame aardmetalen zoals neodymium en dysprosium, die in magneten voorkomen.

Het onderzoek werd afgelopen juni gepubliceerd in Nature Communications onder de titel ‘Recovery of europium from E-waste using redox active tetrathiotungstate ligands’. Het is online>

Meer bij ETHZ>

En bij REECover>

Biobeton met blauwalgen

Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer instituut hebben een methode ontwikkeld om zogenaamde biogene bouwmaterialen te fabriceren met cyanobacteriën. De bacteriën vermenigvuldigen zich in een voedingsoplossing, aangestuurd door fotosynthese. Wanneer aggregaten en vulstoffen zoals zand, basalt of hernieuwbare grondstoffen worden toegevoegd, ontstaan rotsachtige vaste structuren. In tegenstelling tot traditionele betonproductie komt er bij het proces geen koolstofdioxide vrij. In plaats daarvan wordt de koolstofdioxide gebonden in het materiaal zelf.

De bouwsector worstelt met het probleem dat cement, het hoofdbestanddeel van beton, slecht is voor het klimaat. De CO2-uitstoot van cementproductie is erg hoog. Volgens het Duitse Milieuagentschap (UBA) was de cementproductie in 2018 alleen al in Duitsland goed voor zo'n 20 miljoen ton CO2- uitstoot; ongeveer tien procent van alle industriële emissies.

Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS en het Fraunhofer Instituut voor Elektronenbundel en Plasmatechnologie FEP introduceren nu een milieuvriendelijke, biologisch geïnduceerde methode voor het produceren van biogene bouwmaterialen als onderdeel van het project ‘BioCarboBeton’.

Blauwalgen

De hoofdrolspelers in het nieuwe proces zijn cyanobacteriën, of blauwalgen. Deze eencellige cyanobacteriën zijn in staat tot fotosynthese. Onder invloed van licht, vocht en temperatuur kunnen ze structuren vormen die bekend staan als stromatoliet, een soort kalksteen van biologische oorsprong. Het gaat om een oeroud biologisch proces dat zich al

miljarden jaren op dezelfde manier als nu voltrekt.

De Fraunhofer-onderzoekers zijn erin geslaagd dit natuurlijke proces met een technologische methode na te bootsen, met als doel een proces te ontwikkelen waarbij de bacteriën betonachtig materiaal produceren.

Stromatoliet

In de eerste stap om biomassa te produceren, worden de lichtgevoelige cyanobacteriën gekweekt in een voedingsoplossing. De intensiteit en kleur van de gebruikte lichtbron beïnvloeden de bacteriële fotosynthese en het metabolisme. Om de bacteriën de gewenste stromatolietachtige materialen te laten produceren, worden calciumbronnen zoals calciumchloride toegevoegd. Vervolgens experimenteerden de onderzoekers met een mengsel van hydrogels en verschillende vulstoffen, zoals verschillende soorten zand, waaronder zee- of silicazand. Er werd bovendien extra CO2 toegevoegd om het gehalte aan opgeloste koolstofdioxide te verhogen. De zo verkregen cocktail werd vervolgens gehomogeniseerd en in een mal gegoten, die overigens doorschijnend moet zijn om de het fotosyntheseproces op gang te houden, dat heeft namelijk (zon) licht nodig.

Vervolgens mineraliseert het bacteriele mengsel tot een vast, steenachtig materiaal.

Volgens Fraunhofer kan het bacteriële mengsel ook worden gevormd door middel van spuiten, schuimen, extruderen of additieve productie, waardoor het de vorm krijgt waarin de laatste fasen van mineralisatie plaatsvinden.

Poreus

Als alternatief kunnen ook poreuze substraten worden geproduceerd en vervolgens worden behandeld met de cyanobacteriëncultuur. De zich ontwikkelende vaste structuur is tijdens het proces namelijk nog steeds poreus, dus licht komt binnen en drijft de koolstofdioxidebinding door kalksteenmineralisatie aan. Het proces kan op elk gewenst moment worden gestopt door het licht af te schermen en het vocht te verwijderen of de temperatuur te veranderen. Op dat moment gaan de bacteriën simpelweg dood. Het resultaat is een vast product op basis van biogeen calciumcarbonaat en vulstoffen dat bijvoorbeeld als baksteen kan worden gebruikt. De biobased bouwmaterialen gemaakt van cyanobacteriën bevatten geen giftige stoffen.

Fotobioreactor van Fraunhofer FEP op laboratoriumschaal voor het kweken van cyanobacterien onder gedefinieerde licht-, temperatuur- en gascondities (Foto: Fraunhofer FEP)

Doel

Een van de doelen van het BioCarboBeton-project is om de mogelijke materiële en mechanische eigenschappen van de te produceren biogene materialen te bepalen en de processen op te schalen. De onderzoekers denken al na over een circulair procesontwerp. De koolstofdioxide zou bijvoorbeeld afkomstig kunnen zijn van industriële afvalgassen. Het team werkt momenteel met biogas. Basalt en mijnafval zouden verder kunnen worden gebruikt als bronnen van calcium, maar dat geldt zelfs ook voor melkresten van zuivelbedrijven. En naast zand kunnen ook bouwafval of hernieuwbare grondstoffen worden gebruikt als vulstof.

Gerichte selectie van vulstoffen en beheer van proces- en mineralisatieparameters maken het volgens Fraunhofer mogelijk om producten te maken voor een breed scala aan verschillende toepassingen, zoals isolatiemateriaal, baksteen, bekistingsvulling en zelfs mortel of stucwerk.

Oorspronkelijke tekst: Fraunhofer>

Gemineraliseerde vaste 'poriënsteen' (Foto: Fraunhofer IKTS)

Glasschuim als lichtgewicht ophoogmateriaal en wegfundering in slappe grond

De gemeente Borsele is van plan een nieuwe weg aan te leggen rondom het dorp Hoedekenskerke. Dit is nodig vanwege het toenemende verkeer in het centrum van dit dorp. De nieuwe weg wordt aangelegd op een aardebaan op weinig draagkrachtige ondergrond. De gemeente zocht in samenwerking met aannemer Traas en Ovaa naar een economische en toch duurzame oplossing, waarbij de ecologische footprint wordt verkleind met behulp van innovatieve oplossingen. Traditioneel zou een dergelijk project worden uitgevoerd met een aardebaan bestaande uit zand, een granulaatlaag als fundering en ten slotte het asfalt. De samendrukbare bodem maakt echter een forse voorbelasting met zand noodzakelijk. Voorlopige berekeningen gaven aan dat een zandlichaam tot acht meter hoog nodig zou zijn om na voltooiing van het project aan de restzettingseisen te voldoen. Deze aanpak zou niet alleen leiden tot aanzienlijke vertragingen, maar ook resulteren in een forse ecologische foot-print, voornamelijk als gevolg van de talrijke zandtransporten. Deze transporten zouden bovendien zorgen voor verkeerslawaai en trillingen in Hoedekenskerke en omgeving. Er is een alternatief gevonden in het gebruik van glasschuim als lichtgewicht ophoogmateriaal en in een lichtgewicht funderingslaag, maar met een sterkte en stijfheid die groter is dan traditionele funderingslagen.

Proefvak Randweg Hoedekenskerke

Het geotechnisch onderzoek voor dit project was omvangrijk, met sonderingen, boringen en een uitgebreid laboratoriumprogramma met triaxiaal- en samendrukkingsproeven. Figuur 1 geeft een typerende sondering weer. De ondergrond bestaat uit samendrukbare lagen tot ongeveer acht meter onder het maaiveld. Deze lagen behoren tot het Holoceen en bestaan voornamelijk uit normaal geconsolideerde klei, met lokaal organische bijmenging.

Ophoging met glasschuim

Glasschuim is een poreus materiaal. Het wordt gemaakt door een mengsel van gemalen glas en een blaasmiddel (chemisch schuimmiddel) zoals koolstof of kalksteen te verhitten. In de buurt van het smeltpunt van het glas komt er door het blaasmiddel een gas vrij, waardoor een schuimend effect in het glas ontstaat. Na afkoeling hardt het mengsel uit tot een stijf materiaal van met gas gevulde poriën met gesloten cellen die een groot deel van het volume uitmaken. De hoekige korrelvorm van het materiaal is te vergelijken met natuurlijk zand. Glasschuim heeft een droog volumegewicht van circa 2 kN/m3. Het schuim bestaat uit gesloten cellen, waardoor water zich niet hecht aan de glasdeeltjes. In theorie zou het volumegewicht van het materiaal in een aardebaan op de oorspronkelijke waarde blijven. Uit ervaring is echter gebleken dat gedurende de levensduur van de constructie toch enige wateropname kan optreden. Door deze absorptie kan het volumegewicht van het materiaal toenemen tot maximaal 5 à 7 kN/m³. In dit project wordt het glasschuim alleen boven de grondwaterspiegel gebruikt, waardoor wateropname beperkt blijft. Als veilige aanpak is in de zettingsberekeningen een volumegewicht van 4 kN/m3 aangehouden, wat nog steeds aanzienlijk lager is dan zand (volumegewicht 18 kN/m3 na verdichting).

Glasschuim veroorzaakt geen vervuiling wanneer het (op lange termijn) wordt gebruikt. De milieuaspecten van het

glasschuimmateriaal zijn beschreven in Rood en Klein (2014). Door te kiezen voor glasschuim pakt het project niet alleen de geotechnische uitdagingen aan, maar draagt het ook bij aan duurzaamheid, aangezien glasschuim vaak wordt gemaakt van gerecyclede materialen.

Gestabiliseerde funderingslaag

De gestabiliseerde funderingslaag is een mengsel van glasschuim, cement, in situ klei en een additief (Geosta). Deze innovatieve aanpak creëert een funderingslaag met verbeterde sterkte en stijfheid, geschikt om de belastingen gelijkmatig over de onderliggende grond te verdelen. Het stabilisatieproces omvat het in situ mengen van de componenten, waarbij het glasschuim voor volume zorgt, terwijl cement als primair bindmiddel fungeert. De toevoeging van het additief verbetert de flexibiliteit en het lastspreidingsgedrag, wat cruciaal is voor wegfunderingen op samendrukbare bodems. Het gebruik van in situ klei in de mix helpt bij het bereiken van een milieuvriendelijke oplossing door bestaande materialen te recyclen en de noodzaak van het importeren van nieuwe vulmaterialen te verminderen.

Het ontwerp van de laag zorgt ervoor dat deze voldoende draagvermogen heeft om de weg- en verkeersbelastingen te dragen zonder significante vervorming of zetting te ondergaan. De gestabiliseerde funderingslaag draagt ook bij aan een vermindering van de benodigde dikte van de bovenliggende asfaltlaag, wat leidt tot kostenbesparingen en een verdere vermindering van de ecologische footprint van het project.

Het additief Geosta is een mengsel van 100 procent natuurlijke grondstoffen met een complexe samenstelling, waarin diverse chloriden, oxiden en zeolietachtige effecten zijn waar te nemen. Het product kan in combinatie met hydraulische bindmiddelen zoals Portlandcement wordt toegepast in bodemsta-

Figuur 1: Typerende sondering op de projectlocatie

Figuur 2: Teststukken gestabiliseerd materiaal

bilisaties. Het optimaliseert de binding van cement door onder andere de neutralisatie van organische bestanddelen van de grond en het inbinden van de imperfecties van de cement.

Dergelijke gestabiliseerde grond is toegepast als verhardingsfundering voor de opstelplaatsen van verschillende windparken in Nederland (Brouwer en van der Veer, 2021) en bij een veelheid aan internationale projecten (UK, Nigeria, Mexico, USA en Canada).

Voorbewerking met kalk

In gevallen waar de stabilisatie betrekking heeft op kleiachtige grond, is vaak een voorbehandeling met kalk noodzakelijk. Kleideeltjes hebben de neiging om een vertraagde en vaak onvolledige chemische reactie met cement te vertonen. Het voorbehandelen van de klei met kalk leidt tot een effectiever gestabiliseerd product. Dit wordt toegeschreven aan de chemische interacties tussen kalk- en kleideeltjes. Dit proces leidt tot een opwaardering van het kleimateriaal met een aanzienlijk lager watergehalte en een meer granulair gedrag.

Laboratoriumtests

Voorafgaand aan het ontwerp zijn als eerste stap onder laboratoriumomstandigheden monsters gemaakt. Deze monsters zijn in het laboratorium getest op druksterkte. De resultaten toonden aan dat de druksterkte vari-eerde tussen 1,9 en 2,1 N/mm2

Drie proefvakken

Vervolgens is op een locatie dicht bij de nieuwe weg door Traas en Ovaa een testlocatie aangelegd. De bodemgesteldheid op de testlocatie was vergelijkbaar met de uiteindelijke locatie van de weg.

In totaal zijn drie proefvakken gemaakt, waarbij uiteindelijk een ideale samenstelling van de mix en werkwijze is gevonden, die zal worden toegepast voor de werkelijke wegconstructie. Op de testlocatie is een mengsel gemaakt (mixed in place) bestaande uit de lokaal beschikbare klei, Portlandce-ment, Geosta en glasschuim. De opbouw van de constructie bestond uit de gestabiliseerde laag met een dikte van 400 mm, daaronder 300 mm glasschuim en vervolgens de kleiige ondergrond. Voor het ontwerp van de constructie was de druksterkte en de (statische en dynamische) buigstijfheid vereist. Plaatdrukproeven volgens DIN 18134 zijn uitgevoerd op de testlocatie met een plaatdiameter van 300 mm om de statische stijfheidsmodulus af te leiden. Er werd een gemiddelde Ev1-modulus van 100 MPa afgeleid, wat relatief laag is voor een cement gestabiliseerde bodem. Bedacht moet worden dat de plaatdrukproef een invloedsdiepte heeft van 2D à 3D (waarbij D de plaatdiameter is), dus in het uiterste geval 900 mm. Met een laagdikte van 400 mm zal de glasschuimlaag en de samendrukbare ondergrond het proefresul-taat sterk beïnvloeden. Daarom is de proef gesimuleerd in een Plaxis 3D-model, waarbij zowel de stabilisatielaag, het glasschuim en de ondergrond is gemodelleerd. In Plaxis is een goede fit gekregen met de meetresulta-ten met een E-modulus van 350 MPa.

Daarnaast zijn kernen geboord om de sterkte van de laag in het laboratorium te beoordelen. De gemiddelde druksterkte

bedroeg 1,2 N/mm2 en de gemiddelde treksterkte 0,5 N/mm2. Eerder genoemde waarden zijn basis geweest voor het verdere ontwerp.

Wegontwerp

Met bovengenoemde waarden is het wegontwerp uitgevoerd. Daarbij zijn zowel Plaxis 3D-berekeningen als berekeningen met het Asfalt Ontwerp Instrumentarium (AOI) uitgevoerd. Een voorbeeld van de uitvoer van het programma Plaxis 3D is weergegeven in figuur 4, waarin de verticale vervormingen onder invloed van het BM1 lastmodel conform NEN-EN 1990-1 zijn weergegeven.

Op basis van de Plaxis en AOI berekeningen is geconstateerd dat de asfaltdikte gereduceerd kon worden tot 100 mm bij een levensduur van de constructie van 30 jaar en een intensiteit van 900 voertuigen per dag per richting.

Dit voorbeeld toont het potentieel van glasschuim als duurzaam alternatief voor de aanleg van aardebanen in samendrukbare bodemcondities. Het gebruik van glasschuim in een gestabiliseerde funderingslaag is een innovatieve oplossing. De methode is veelbelovend en zorgt voor een vermindering van

Figuur 3: Plaatdrukproeven op proefvak

4: Verticale vervormingen in Plaxis 3D

de funderings- en asfaltdikte, wat gunstig is voor de vemindering van de kosten en de ecologische footprint.

De start van de aanleg van de weg is gepland in het eerste kwartaal van 2025.

J.W.R. Brouwer (Geobest BV)

T. Emmen (Traas en Ovaa BV)

J. Walhout (Traas en Ovaa BV)

Dit artikel verscheen ook in Civiele Techniek nummer 7 2024

Referenties

Brouwer, J.W.R., van der Veer, M.D. (2021) Windpark Deil, Solide fundering voor kraanopstelplaatsen, Land en Water 4, April 2021.

Omotosho, O. (2005), Influence of Geosta Addition on cement-stabilised Chioco Mud of the niger Delta., in American Journal of Environmental Science 1 (1), pp 59-63.

Rood, J.N., Klein, B. (2014), Environmental Assessment of Foam Glass in Civil Engineering Works, HB Advies-bureau, Alkmaar.

Figuur

Copper nanoclusters: Selective CO2 to methane conversion beyond 1 A/cm²

Applied Catalysis B: Environment and Energy, September 2024

Carbon dioxide offers a unique opportunity as a feedstock for energy production through electrocatalysis. Methane production holds promise for its widespread applications and market demand. However, commercial viability faces challenges of low selectivity, current density, and high applied potential. Efforts to improve methane selectivity while suppressing multi-carbon products, e.g., ethylene, often involve lower alkalinity electrolytes. However, it reduces current density due to increased ohmic resistance without significant gains in the reaction yield. This study utilizes quantum mechanics computations to design a nano-cluster copper catalyst that redirects the reaction pathway from ethylene towards methane, even under alkaline conditions. The scientists achieved a Faradaic efficiency (FE) of 85 %, a current density of 1.5 A/cm2, and stability of over 10 hours solely by controlling particle size in copper catalysts. This work paves the way to overcoming current limitations in electrocatalytic methane production and holds broader implications for advancing sustainable CO2 utilization in energy systems.

The article is online>

Preparation and Properties of Natural Bamboo Fiber-Reinforced Recycled Aggregate Concrete

MDPI Materials, June 2024

To promote resource reuse and the green, low-carbon transformation of the construction industry, this study uses recycled aggregate from crushed waste concrete and natural bamboo fibers to formulate bamboo fiber-reinforced recycled-aggregate concrete.

This study investigates the effects of natural bamboo fiber (NBF) content, NBF length, and the water-to-cement ratio on the performance of concrete through an orthogonal experiment to determine the optimal mixing proportions of NBF-reinforced concrete. Additionally, recycled aggregate completely replaced natural aggregate. The mechanism by which NBF influences concrete was also analyzed. The results demonstrate that the NBF-reinforced specimens exhibited good integrity during compression failure, with NBFs effectively tying the concrete together. The optimized parameters for NBF-reinforced concrete were an NBF length of 20 mm, an NBF content of 0.4v%, and a water-to-cement ratio of 0.55. Almost no

flaky Ca(OH)2 crystals were observed in the NBF-hardened cementpaste transition zone, indicating effective bonding at the interface.

The article is online>

Evaluating Recycled Concrete Aggregate and Sand for Sustainable Construction Performance and Environmental Benefits

MDPI CivilEng, May 2024

This research investigates the potential of utilizing recycled concrete aggregate (RCA) and recycled sand (RS), derived from crushed concrete cubes, as sustainable alternatives in construction materials. The study comprehensively evaluates the properties of RCA and RS, focusing on workability, impact resistance, abrasion resistance, and compressive strength to determine their viability as substitute construction materials. A notable finding is RS’s enhanced fire and heat resistance when used as a fine aggregate in mortar blends, mixed with cement and Sinicon PP in a 3:1 ratio. The experimental analysis included thorough assessments of uniformity, durability, and curing time, alongside Scanning Electron Microscopy (SEM) for structural examination. Results show that RCA has an Aggregate Impact Value (AIV) of 5.76 % and a Los Angeles Abrasion Value (LAA) of 21.78 %, demonstrating excellent strength of the recycled aggregates. The mortar mix was also prepared using recycled sand, cement, and Sinicon PP, and its stability was confirmed through soundness tests, which resulted in a 0.53 mm expansion and a satisfactory consistency level of 44 %.

Failure patterns of compressive damage: (a) recycled aggregate concrete without NBFs and (b) recycled aggregate concrete with NBFs.

Ultrasonic pulse velocity (UPV) tests also indicated high-quality concrete formation using RCA and RS. SEM imaging corroborated this by revealing a bond between the cement paste and the aggregates. Incorporating RS and RCA in concrete mixtures impressively yielded a compressive strength of 26.22 N/mm2 in M20-grade concrete. The study concludes that using RCA and RS waste materials in the construction sector underlines that sustainable practices can be integrated without compromising material quality. This approach aligns with sustainable development goals and fosters a more environmentally friendly construction industry.

The article is online>

Hybrid magnon-phonon localization enhances function near ferroic glassy states

Science Advances, June 2024

Ferroic materials on the verge of forming ferroic glasses exhibit heightened functionality that is often attributed to competing long- and short-range correlations. However, the physics underlying these enhancements is not well understood. The Ni45Co5Mn36.6In13.4 Heusler alloy is on the edge of forming both spin and strain glasses and exhibits magnetic field-induced shape memory and large magnetocaloric effects, making it a candidate for multicaloric cooling applications. The team

Strong coupling between localized atomic vibrations and spin fluctuations increases the absorption and release of heat, shown from the bottom to the top, in a magnetic shape-memory alloy, improving its capacity for solid-state cooling (Credit: Phoenix Pleasant/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

shows using neutron scattering that localized magnon-phonon hybrid modes, which are inherently spread across reciprocal space, act as a bridge between phonons and magnons and result in substantial magnetic field-induced shifts in the phonons, triple the caloric response, and alter phase stability. The scientists attribute these modes to the localization of phonons and magnons by antiphase boundaries coupled to magnetic domains. Because the interplay between short- and long-range

correlations is common near ferroic glassy states, this work provides general insights on how glassiness enhances function.

This study was supported by DOE’s Office of Science Materials Sciences and Engineering Division. A portion of the neutron scattering work for this research was performed at the High Flux Isotope Reactor and the Spallation Neutron Source, DOE Office of Science user facilities at ORNL. The National Institute of Standards and Technology of the Department of Commerce also provided neutron research facilities.

The article is online>

Cytotoxicity and antibacterial susceptibility assessment of a newly developed pectin-chitosan polyelectrolyte composite for dental implants

Nature Scientific Report, July 2024

Biopolymers such as chitosan and pectin are currently attracting significant attention because of their unique properties, which are valuable in the food industry and pharmaceutical applications. These properties include non-toxicity, compatibility with biological systems, natural decomposition ability, and structural adaptability. The objective of this study was to assess the performance of two different ratios of pectin-chitosan polyelectrolyte composite (PCPC) after applying them as a coating to commercially pure titanium (CpTi) substrates using electrospraying. The PCPC was studied in ratios of 1:2 and 1:3, while the control group consisted of CpTi substrates without any coating. The pull-off adhesion strength, cytotoxicity, and antibacterial susceptibility tests were utilized to evaluate the PCPC coatings. In order to determine whether the composite coating was the result of physical blending or chemical bonding, the topographic surface parameters were studied using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and atomic force microscopy (AFM). PCPC (1:3) had the highest average cell viability of 93.42, 89.88, and 86.85 % after 24, 48, and 72 h, respectively, as determined by the cytotoxicity assay, when compared to the other groups. According to the Kirby-Bauer disk diffusion method for testing antibacterial susceptibility, PCPC (1:3) showed the highest average diameter of the zone of inhibition, measuring 14.88, 14.43, and 11.03 mm after 24, 48, and 72 h of incubation, respectively. This difference was highly significant compared to Group 3 at all three time periods. PCPC (1:3) exhibited a significantly higher mean pull-off adhesion strength (521.6 psi) compared to PCPC (1:2), which revealed 419.5 psi. PCPC (1:3) coated substrates exhibited better surface roughness parameters compared to other groups based on the findings of the AFM. The FTIR measurement indicated that both PCPC groups exhibited a purely physical blending in the composite coating. Based on the extent of these successful in vitro experiments, PCPC (1:3) demonstrates its potential as an effective coating layer. Therefore, the findings of this study pave the way for using newly developed PCPC after electrospraying coating on CpTi for dental implants.

The article is online>

Sustainable and Innovative Self-Healing Concrete Technologies to Mitigate Environmental Impacts in Construction

MDPI CivilEng, June 2024

The production of concrete and the manufacturing process of cement result in a significant carbon footprint, contributing to a large portion of global emissions in structures such as buildings, bridges, roads, and tunnels. Although concrete is an ideal building material that is durable and long-lasting, it can be susceptible to micro-cracks. These micro-cracks in concrete can allow water and chlorine ions to penetrate the structure, leading to the degradation of the concrete and corrosion of the reinforcement, posing an unacceptable level of structural risk. Self-healing concrete is not a new material in the construction industry but can be characterized by the capability of concrete to repair its cracks autogenously or autonomously. Recent advancements in concrete research and technology have given us a better understanding of concrete’s healing properties.

Self-healing concrete combines durability with sustainability while offsetting the high carbon output of concrete manufacturing and production and associated life-cycle costs. Technologies such as microbially induced calcite (calcium carbonate) precipitation, shape-memory polymers, encapsulation methods, hydration, and swelling agents can potentially reduce carbon emissions while enhancing resilience and longevity. This paper examines these technologies and their applications in the construction industry by comprehensively reviewing the literature and available case studies. This study concluded that there are promising advancements and innovations in concrete, particularly when improving upon its autogenous healing properties. The recommendations for future research include exploring more ways to bring the concrete industry and cement manufacturing toward net-zero carbon emissions.

The article is online>

Strength and Durability Properties of HighVolume Fly Ash Binders: A Systematic Review

MDPI CivilEng, May 2024

South Africa is endowed with a wealth of coal-fired power stations that can produce extremely high volumes of fly ash per year exceeding 34 million tonnes. The use of high-volume fly ash (HVFA) binders in the construction sector has the capacity to significantly reduce greenhouse gas emissions associated with traditional cement production and offset the carbon footprint of Eskom. The excessive production of fly ash by Eskom warrants the need for developing ultra-high-volume fly ash binders (UHVFA, fly ash/binder > 60 wt%). Nonetheless, fly ash (FA) replacement of cement is still largely limited to 35% regardless of more ambitious research indicating the potential to surpass 60%. In view of the urgent need for South Africa to offset and reduce its carbon footprint, this work reviews and summarises the literature on the performance of HVFA binders with a focus on two specific areas: (i) strength and (ii) durability. On HVFA binder strength, the focus is drawn on work that analysed the compressive strength, flexural strength, and split tensile strength. This review focuses on the extant literature analysing the durability of HVFA binders using various tests, including sorptivity, resistivity, permeability, tortuosity, rapid chloride penetration tests, resistance to sulphate attack, and microstructural analysis. As the FA content increases towards optima, i.e., 50 - 80 %, the most indicative composite characteristics of the strength and durability properties are UCS (30 - 90 MPa) and permeability (low). This review reveals the leading methodologies, instrumentation, findings, challenges, and contradictions.

The article is online>

Multiscale Experiments and Predictive Modeling for Failure Mitigation in Additive Manufacturing of Lattices

Advanced Materials Technologies, July 2024

Additive Manufacturing (AM) empowers the creation of high-performance cellular materials, underscoring the increasing need for programmable and predictable energy absorption capabilities. This study evaluates the impact of a precisely tuned fused filament fabrication (FFF) process on the energy absorption and failure characteristics of 2D-thermoplastic lattice materials through multiscale experiments and predictive modeling. Macroscale in-plane compression testing of both thick- and thin-walled lattices, along with their µ-CT imaging, reveal relative density-dependent damage mechanisms and failure modes, prompting the development of a robust predictive modeling framework to capture process-induced performance variation and damage. For lower relative density lattices, an FE model based on the extended Drucker-Prager material model, incorporating Bridgman's correction with crazing failure criteria, accurately captures the crushing res-

A scanning electron micrograph of a single coccolithophore cell (Emiliania huxleyi)

ponse. As lattice density increases, interfacial damage along bead-bead interfaces becomes predominant, necessitating the enrichment of the model with a microscale cohesive zone model to capture interfacial debonding. The predictive modeling introduces an enhancement factor, offering a straightforward method to assess the impact of the AM process on energy absorption performance, thereby facilitating the inverse design of FFF-printed lattices. This approach provides a critical evaluation of how FFF processes can be optimized to achieve the highest attainable performance and mitigate failures in architected materials.

The article is online>

2D lattice structures: a) Geometric models for different relative densities illustrating architectural parameters of various unit cell topologies and b) additively manufactured Polyetherimide (PEI) lattice structures for a relative density, , featuring Hexagonal (top-left), I-shaped (top-right), Re-Entrant (bottom-left), and S-shaped (bottom-right) configurations

Stretchable Tissue-Like Gold Nanowire

Composites

with Long-Term Stability for Neural Interfaces

Nano Micro Small, June 2024

Soft and stretchable nanocomposites can match the mechanical properties of neural tissue, thereby minimizing foreign body reactions to provide optimal stimulation and recording specificity. Soft materials for neural interfaces should simultaneously fulfill a wide range of requirements, including low Young's modulus (<<1 MPa), stretchability (≥30 %), high conductivity (>> 1000 S cm−1), biocompatibility, and chronic stability (>> 1 year). Current nanocomposites do not fulfill the above requirements, in particular not the combination of softness and high conductivity. Here, this challenge is addressed by developing a scalable and robust synthesis route based on polymeric reducing agents for smooth, high-aspect ratio gold nanowires (AuNWs) of controllable dimensions with excellent biocompatibility. AuNW-silicone composites show outstanding performance with nerve-like softness (250 kPa), high conductivity (16 000 S cm−1), and reversible stretchability. Soft multielectrode cuffs based on the composite achieve selective functional stimulation, recordings of sensory stimuli in rat sciatic nerves, and show an accelerated lifetime stability of

>3 years. The scalable synthesis method provides a chemically stable alternative to the widely used AgNWs, thereby enabling new applications within electronics, biomedical devices, and electrochemistry.

The article is online>

Selective Sheet Extrusion: A Novel Manufacturing Process for Large-Format Material Extrusion

Journal of Manufacturing and Materials Processing, July 2024

The trade-off between resolution and speed represents a significant challenge when extrusion-based additive manufacturing (AM) is used for large-format additive manufacturing (LFAM). This paper presents an analysis of a new material extrusion process, named selective sheet extrusion (SSE), that aims to decouple these parameters. Unlike traditional single-nozzle material extrusion processes, SSE utilizes a single, very wide nozzle through which extrusion is controlled by an array of dynamically actuated teeth at the nozzle outlet. This allows the system to deposit a selectively structured sheet of material with each pass, potentially enabling the deposition of an entire layer of a part in a single pass. An analysis of the theoretical performance of the SSE technology, in terms of speed and material efficiency in comparison with single-nozzle extrusion systems, predicted speed increases of 2 - 3 times for the geometries that were explored. The analysis was then validated through experimental work that indicated a normalized improvement in print speed of between 2.3 and 2.5 times using a proof-of-concept SSE prototype. The SSE concept expands the opportunity frontier of LFAM technologies by enabling enhanced print speeds, while maintaining higher resolutions at scale. This enhancement in speed and/or resolution could have significant benefits, especially in large-scale prints that benefit from enhanced internal resolution.

The article is online>

The selective sheet extrusion (SSE) prototype. Left: Front view of the prototype print head (unmounted) shows the plunger mechanism raised to its upper height, as well as the opening of the nozzle at the very bottom with all teeth in the open position. Right: The material cavity

ARCHITECT@WORK 11 - 12 september 2024, Rotterdam

ICTEWS 2024

16 - 17 september 2024, Zürich

Tecna 24 - 27 september 2024, Rimini

Kunststoffenbeurs

18 - 19 september 2024, Den Bosch

EURO PM 2024

29 september - 2 oktober 2024, Malmö

Batimat 2024

30 september - 3 oktober 2024

Parijs

Metavak 1 - 3 oktober 2024, Gorinchem

HärtereiKongres (HK) 2024

8 - 10 oktober 2024, Keulen

Ceramics and Composite Materials 10 - 11 oktober 2024, Madrid

Staalbouwdag 2024 15 oktober 2024, Leusden

tijdschrift over ontwikkelingen op het gebied van duurzame, innovatieve materialen en/of de toepassing daarvan in bijzondere constructies.

tel. (0183) 66 08 08

Fakuma 2024

Hoofdredactie:: Gerard van Nifterik AdvertentiesDrs. Petra Schoonebeek e-mail: ps@innovatievematerialen.nl

15 - 19 oktober 2024, Friedrichshafen

Een digitaal abonnement in 2024 (6 uitgaven) kost € 47,80 (excl. BTW) KIVI-leden € 35,90- (excl. BTW) Studenten € 25,- (excl. BTW)

Materials Engineering 17 oktober 2024, Veldhoven

Glazing summit 2024 17 oktober 2024, Birmingham

Dutch Design Week 19 - 27 oktober 2024 Eindhoven

Glasstec 2024 22 - 25 oktober 2024, Düsseldorf

EuroBLECH 22 - 25 oktober 2024, Hannover

AM Ceramics 23 - 24 oktober 2024, Berlijn

World Recycling Convention 28 oktober 2024, Rome

Stainless Steel Duplex 2024 6 - 7 november 2024, Rotterdam

Precisiebeurs 13 - 14 november 2024, ‘s-Hertogenbosch

Formnext 19 - 22 november 2024, Frankfurt am Main

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en of openbaar worden door middel van herdruk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Hagener Symposium 2024 28 - 29 november 2024, Hagen

e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

Barcelona Design Week 16 - 26 oktober 2024, Barcelona

Een papieren abonnement in 2024 kost € 93,25 (excl. BTW) Zie ook: www.innovatievematerialen.nl

MaterialsNL 9 - 10 december 2024, Arnhem

tecnaexpo.com

Hét expertisecentrum voor materiaalkarakterisering.

Integer, onafhankelijk, objectief onderzoek en advies. ISO 17025 geaccrediteerd.

Wij helpen u graag verder met onderzoek en analyse van uw innovatieve materialen. Bel ons op 026 3845600 of mail info@tcki.nl www.tcki.nl