Wetenschappers in Engeland hebben een methode bedacht om bij kamertemperatuur sterke vezels te trekken die doen denken aan de draden van spinnen. Wat vooral opvalt bij het nieuwe materiaal is de grote demping, die te danken is aan een combinatie van harde en zachte gedeeltes in de vezels.

In de natuur zijn spinnen de specialisten van het maken van sterke vezels. Wetenschappers zijn maar wát jaloers op de eigenschappen van spinzijde; de vezels zijn dun, superlang en tegelijk sterk en uitrekbaar. Daarom proberen ze al decennia lang om die eigenschappen te benaderen (lees: ‘Spinzijde vrijwel getrouw nagemaakt’) met verschillende spinprocessen voor het trekken van vezels, zoals natspinnen, droogspinnen en smeltspinnen. Nadeel hiervan is dat deze vaak veel energie kosten en werken met oplosmiddelen die het milieu belasten.
 

Kunstvezels trekken

Daaraan denken onderzoekers van Cambridge University in Engeland nu iets te kunnen doen. Zij presenteren op de website van vakblad PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) hun werk aan het trekken van kunstvezels uit een hydrogel. De basis hiervoor is een hydrogel, die bestaat uit een matrix van vaste stoffen, die een heleboel water vasthouden; 98 % in dit geval.

De vaste stoffen in de hydrogel bestaan in dit onderzoek uit drie componenten: nanodeeltjes van silica (siliciumoxide), cellulose en heel bijzondere deeltjes in de vorm van een hol vat (zie tekening rechts). Deze minuscule holle deeltjes – een soort kokertjes – spelen een cruciale rol bij het trekken van de vezels. Tijdens dat proces schieten ze als vanzelf (dat heet moleculaire zelfassemblage) op hun plek: ze bieden dan ruimte aan twee verschillende moleculen, zodat ze gaan fungeren als schakels in een extreem lange streng moleculen (zie afbeelding).
 

Natuurlijke materialen

Die lange streng moleculen vormt op de macroschaal een draad van slechts 6 µm dik. Na ongeveer 30 s is het water uit deze draad verdampt en heeft hij zijn uiteindelijke eigenschappen gekregen. ‘Hoewel onze vezels nog niet zo sterk zijn als het sterkste spinzijde, kunnen ze een treksterkte aan van 100 tot 150 megapascal, vergelijkbaar met andere natuurlijke en kunstvezels. Maar onze vezels zijn gemaakt met natuurlijke materialen en een energiezuinig en niet vervuilend proces’, aldus medeauteur Darshil Shah van Cambridge University in een persbericht van de universiteit.
 

Demping

De nieuwe kunstvezels zijn sterker dan andere synthetisch gemaakte vezels, zoals viscose (van cellulose gemaakt) en kunstzijde. Maar nog bijzonderder is het feit dat ze een zeer grote demping hebben; ze vervormen elastisch als je eraan trekt. Dit is een bekende eigenschap van spinzijde (kijk maar eens naar een spin die zich aan zijn eigen draadje laat vallen), maar volgens de onderzoekers zijn er nauwelijks kunstvezels die deze eigenschap hebben.

Vergelijking van de demping van verschillende soorten natuurlijke en kunstvezels. Helemaal rechts, in rood, de nieuwe kunstvezel.

 

De onderzoekers denken hun kunstvezels nog verder te kunnen verbeteren, door te spelen met de moleculaire componenten en de procesparameters. ‘We denken dat we onze methode kunnen doorontwikkelen tot een milieuvriendelijk alternatief voor het maken van vezels’, aldus Shah. Kunstvezels worden gebruikt in uiteenlopende toepassingen; van textiel tot het sterker maken van composietmaterialen tot het maken van weefsels voor tissue engineering.


Openingsbeeld: microscoopopnames van de kunstvezel van Cambridge University. Door in te zoomen is te zien dat die op de nanoschaal bestaat uit fibrillen, die zich bij vervorming kunnen gaan strekken. Dit proces is verantwoordelijk voor de sterke demping van het materiaal. Bron alle beelden: Wu et al., PNAS, 2017.