Vier jaar lang hield PhD-student Annelore Aerts zich bezig met mechanochemie, de tak van scheikunde die het gedrag van materialen die mechanisch belast worden bestudeerd. Kort samengevat ontwikkelde ze een verbeterde manier om materiaalmoeheid in plastics zichtbaar te maken. Maar dat is wel erg simplistisch uitgelegd, lacht Aerts. Als achtergrond tijdens het online gesprek gebruikt ze een witte, versgestuukte muur - ook daar zouden overigens zo maar eens polymeren in gebruikt kunnen zijn. Want naast een aanstaande promotie zit de Vlaamse midden in een verhuizing, haar nieuwe woonplek op een kwartiertje rijden van de Nederlandse grens is net klaar.

Vliegtuigvleugel

“Plastics bestaan uit polymeren, ketens van dezelfde, zich herhalende moleculen. Polymeren zijn goedkoop, gemakkelijk te maken en aan te passen en worden daarom steeds meer toegepast. We kennen veel plastic gebruiksvoorwerpen, maar denk bijvoorbeeld ook aan bouwmaterialen of vliegtuigonderdelen. In dat soort gevallen is het voordat je overstapt naar een polymeer belangrijk om te weten of het nieuwe materiaal aan de gebruikerseisen voldoet. Een vliegtuigvleugel kan wel heel licht zijn - en dus brandstof besparen - door een polymeerframe, maar de constructie moet wel een bepaald aantal jaar gegarandeerd meegaan. De gevolgen kunnen anders catastrofaal zijn.”

Om in detail te onderzoeken wanneer en waar een polymeer faalt, maakte Aerts verschillende modelpolymeren waarin ze slimme, fluorescerende bouwstenen inbouwde. Deze bouwstenen, ook wel mechanoforen genoemd, breken stuk wanneer je er een bepaalde kracht op uitoefent. Ze veranderen van kleur, geven licht of - in het geval van Aerts - zijn fluorescent. Aan de hand van berekeningen kan je het mechanofoor zo ontwerpen dat het een net iets zwakkere binding heeft dan het polymeer waarin het wordt ingebouwd, legt Aerts uit. “Je kiest zo dat de mechanofoor de zwakste schakel is. Je moet namelijk zeker weten dat de mechanofoor breekt voordat het polymeer gaat falen.”

Streepje licht

Haar methode testte Aerts eerst op elastische polymeren, voordat ze de overstap maakte naar zogenoemde glasachtige polymeren. “Bijvoorbeeld polycarbonaat en polystyreen, bekend van de wegwerpbekertjes. Je weet vast wel dat wanneer je zo’n bekertje inknijpt, het direct heel lokaal breekt. Dat materiaalgedrag maakt het extra lastig om met een mechanofoor spanningen in zulke polymeren te bestuderen.” Ze ontwikkelde uiteindelijk twee fluorescente mechanoforen. Eén is een zogeheten supramoleculaire mechanofoor, waarvan de moleculen niet met een binding aan elkaar vastzitten en die daardoor sneller breekt als je eraan trekt. Deze bouwsteen blijkt daardoor ideaal om minimale stress in een materiaal zichtbaar te maken. De tweede mechanofoor bevat wel zogeheten covalente bindingen tussen de moleculen, maar paste Aerts zo aan dat deze juist geschikt was om glasachtige polymeren te testen.

Daarvoor maakte ze in het lab van de poederige polymeer-mechanofoor-mix dunne, transparante filmpjes. Met een diamanten tip zette ze vervolgens met een vooraf ingestelde kracht een miniscuul krasje in de plastic film. En na veel experimenten en finetunen werd Aerts beloond. Onder de fluorescentiemicroscoop zag ze ‘het licht’: een gekleurd streepje op de plek waar de kras de hoogste spanning had, daar was haar mechanofoor gebroken. “Mechanochemie is de laatste tien jaar sterk in opmars, maar wordt voornamelijk gebruikt voor elastische polymeren. Nu is het ook gelukt om materiaalstress in glasachtige polymeren met een heel gevoelige techniek zichtbaar te maken. En we hebben kunnen aantonen dat het waarneembare verschil in breukgedrag op moleculair niveau wordt veroorzaakt. Deze polymeren worden vaak eerst wittig voordat ze breken, buig zelf maar eens een plastic doorzichtig voorwerp. Voor het eerst hebben we nu effectief bewijs dat deze crazing gepaard gaat met het breken van moleculaire verbindingen.”

Composieten

De fluorescente bouwstenen van Aerts en haar collega’s leveren veel nieuwe materiaalinzichten. Industriële toepassingen zoals het controleren van een kunststof valhelm na een botsing klinken echter nog ver weg. “We moeten ook rekening houden met hoe materialen industrieel gemaakt worden, vaak onder hoge temperaturen. We moeten daarvoor eerst mechanoforen ontwikkelen die thermisch stabiel zijn, maar ook reversibel. Anders zie je in een geheel fluorescente valhelm de potentiële breuklijntjes niet meer.”

Wel hoopt Aerts dat haar methode over niet al te lange tijd ook voor composieten gebruikt kan worden. Dat zijn polymeren waar een extra component aan toegevoegd wordt om zo nog betere, sterkere of lichtere kunststoffen te maken. De eerste stappen zijn hiervoor gezet, maar Aerts heeft helaas geen tijd meer dit zelf af te ronden; haar onderzoekstijd zit erop. Volgende week verdedigt ze als laatste van de ‘PhD squad’ haar onderzoek. Vier jaar geleden startte een groepje promovendi bijna tegelijkertijd met hun promotietraject binnen de vakgroep Supramolecular Polymer Chemistry, onderweg werd er veel lief en leed gedeeld. En nu is haar afsluitende ceremonie de eerste van haar groep waarbij iedereen weer aanwezig kan zijn door de coronaversoepelingen. Zodat zíj - tussen het stuken en schilderen door - maar óók haar PhD-maatjes toch met een knalfuif afscheid kunnen nemen.