Uit de laboratoria van MIT komt een bijzonder materiaal dat CO2 uit de lucht haalt om zichzelf sterker te maken. Op korte termijn maakt dit principe zelfhelende materialen mogelijk. Voor de toekomst voorzien de onderzoekers lichte bouwmaterialen die uitharden onder invloed van daglicht en buitenlucht.
Alles lijkt deze dagen om CO2 te draaien. We moeten alles op alles zetten om de concentratie van het broeikasgas in onze atmosfeer terug te dringen; of op zijn minst de toename af te remmen.
Materiaalonderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten doen nu een originele duit in het zakje. Ze hebben een zelfhelend materiaal bedacht, dat groeit door CO2-moleculen uit de lucht te grijpen en vast te maken op een open structuur. Hierdoor groeit dit – bij aanvang – zeer poreuze materiaal langzaam dicht, en tegelijkertijd wordt het steviger en sterker. De onderzoekers publiceerden hun werk eerder deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.
Fotosynthese
Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar het principe werkt ook in de natuur. Planten groeien uit een zaadje door CO2 uit de lucht vast te leggen, in combinatie met water en voedingsstoffen uit de grond. Het proces dat hierbij centraal staat is fotosynthese: de omzetting van CO2 en water in koolhydraten (suikers) en zuurstof.
Dat proces vindt plaats in de bladgroenkorrels, of chloroplasten, van een plant. En het is dan ook niet toevallig dat de MIT-onderzoekers die onderdelen van een plant gebruikten in hun materiaal. Ze haalden bladgroenkorrels uit spinazie en stopten ze een gel, die een zeer open structuur heeft. In de gel zaten nog andere stoffen die nodig zijn voor de gewenste reactie (aminopropylmethacrylamide, glucose en het enzym glucose-oxidase).
Daglicht
De gel transformeert en vult zich met CO2 dankzij daglicht, dat fotosynthese op de bladgroenkorrels in gang zet. CO2 uit de lucht wordt hier omgezet in glucose, dat via een tussenstof terechtkomt in het polymeer polymethacrylamide. Door dit continue proces groeit het polymeer en breidt het netwerk van deze stof zich uit, waardoor het geheel sterker wordt. In de experimenten van MIT groeit het materiaal met de bescheiden snelheid van 60 µm3/h per bladgroenkorrel.
Zelfhelende coating
Het materiaal is nog niet sterk genoeg om gebruikt te worden als bouwmateriaal, maar wel al bijna als zelfhelende coating, die zichzelf herstelt als er een krasje in komt (lees ook: ‘Geleidend materiaal herstelt zichzelf bij schade’). CO2-moleculen die langs de kras komen, worden opgenomen in de coating. Zo groeit de kras langzaam dicht.
Voor de toekomst mikken de onderzoekers op een materiaal dat sterk genoeg is om te dienen als bouwmateriaal. Het idee is dan om zeer lichte – want poreuze – panelen te maken die je naar een bouwplaats brengt. Daar harden ze dan verder uit onder invloed van daglicht. Grote voordeel is dan dat je enkel lichtgewicht materialen hoeft te vervoeren; dat kost minder energie en geld.
Geen fossiele bronnen
Maar ook het klimaat zou profiteren van een dergelijk materiaal, waarbij het mes aan twee kanten snijdt. Ten eerste zijn voor de productie van het materiaal geen fossiele bronnen nodig geweest. En ten tweede absorbeert het materiaal kooldioxide uit de lucht. ‘Stel je voor dat we een synthetisch materiaal hebben dat groeit als een boom door kooldioxide uit de lucht te halen, en er het materiaal mee opbouwt’, aldus MIT-hoogleraar Michael Strano in een persbericht.
De koolstof zit in principe stevig gebonden in het nieuwe materiaal, want de koolstofatomen zitten chemisch gebonden in een stevige polymeerketen. Als je het materiaal zou verbranden, dan komt het koolstof weer in de lucht terecht (als CO2), maar dat geldt natuurlijk voor alle organische of polymeermaterialen.
Andere katalysator
Het MIT-onderzoek is een proof-of-concept, een bewijs dat dit mogelijk is. Om te komen tot bruikbare materialen voor bijvoorbeeld de bouw, zijn nog jaren van onderzoek nodig. Zo zijn de bladgroenkorrels nog niet erg stabiel (ze gaan ongeveer een etmaal mee), dus er loopt al onderzoek om ze te vervangen door andere stoffen die als katalysator kunnen dienen voor de fotosynthese.
Glucose zou je dus kunnen maken door CO2 uit de lucht te halen, de natuur doet het ook. Deze suiker speelt niet alleen een belangrijke rol in de natuur, maar ook chemiebedrijven zien steeds meer het belang in van de stof, zoals te lezen is in het cover-verhaal ‘Groene groeistuip; chemie uit biomassa breekt nu echt door’ in het oktobernummer van De Ingenieur. Glucose is een grondstof van biologische oorsprong, waaruit tal van chemische stoffen te maken zijn. En als je de glucose kunt maken van CO2 uit de lucht, zou dat helemaal een enorme stap voorwaarts betekenen.
Openingsillustratie
De figuur laat de zelfhelende eigenschappen van het nieuwe materiaal zien. Bovenaan wordt een scheurtje gemaakt in het materiaal, dat bestaat uit een hydrogel (donkergroen) met erin opgenomen chloroplasten (lichtgroen) van planten. Aan de onderkant reageert het materiaal in aanwezigheid van licht met kooldioxide in de lucht, zodat de scheur dichtgroeit, waardoor de schade wordt hersteld. Bron: MIT
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.