Polymeerwetenschappers werken met industrie aan slimme materialen

RUG-hoogleraar polymeerchemie Katja Loos doet onderzoek terwijl de industrie over haar schouder meekijkt. Dat vindt zij niet eng of lastig, sterker nog, het inspireert haar en haar collega’s van zes verschillende universiteiten. Samen vormen zij het nieuwe virtuele onderzoekscentrum voor zachte, geavanceerde materialen SAM (Soft Advanced Materials). Dit centrum ontving een subsidie van 3,6 miljoen euro van onderzoekfinancier NWO.

‘Hoewel ons onderzoek niet direct gericht is op toepassingen hebben we partners uit de industrie gevraagd om uit ruim honderd plannen hun favorieten te selecteren’, legt Loos uit. Zij schreef de subsidieaanvraag voor het programma en is er nu de coördinator van. Twaalf promovendi zullen hierin aan de geselecteerde projecten werken. ‘Het idee hierachter is dat de bedrijven de onderzoeksgroepen van verschillende universiteiten zo beter leren kennen en dat jonge onderzoekers een indruk krijgen van de R&D activiteiten van de industriële partners’, zegt Loos.

Voortgang

Vier bedrijven doen mee aan het SAM-onderzoekscentrum: de Nederlandse chemieconcerns DSM (gezondheid, voeding en materialen) en Corbion (voeding en biochemicaliën), en de Duitse bedrijven BASF (de op een na grootste producent van chemicaliën ter wereld) en BYK Altana (additieven). Samen dragen zij 1 miljoen euro bij aan het programma.

De bedrijven hebben de globale invulling van het programma bepaald door twaalf projecten te selecteren uit een lange lijst met ideeën. Ze zijn ook betrokken bij de jaarlijkse evaluatie van de projecten. ‘Daarbij kunnen ze aangeven of het project nog steeds de koers volgt die zij hadden voorzien bij de start.’ Maar, benadrukt Loos, de begeleiders van de promovendi hebben het laatste woord over de voortgang van de projecten. ‘Als zij het oneens zijn met de vertegenwoordigers van de bedrijven, moet ik als programmaleider een oplossing vinden.’

Motivatie

Inmiddels zijn bijna alle promovendi aangesteld. Tot nu toe is Loos enthousiast over de wisselwerking met de commerciële partners. ‘BASF is een Duits bedrijf, en ze weten eigenlijk niet zo goed wat er gebeurt in de Nederlandse laboratoria op het terrein van polymeerchemie en zachte materialen. Ze zijn heel nieuwsgierig, net als BYK Altana’, vertelt Loos. De bedrijven hebben al contact met de promovendi. ‘Voor hen is het een extra motivatie als ze merken dat iemand van zo’n bedrijf interesse heeft in hun werk.’

Op deze manier moeten in het verdere verloop van het programma de industriële partners een goed idee krijgen van waar de polymeerwetenschappers aan Nederlandse universiteiten mee bezig zijn. De wetenschappers krijgen daarnaast een beter beeld van wat de bedrijven nodig hebben, terwijl twaalf academische projecten worden uitgevoerd.

Recyclen

De projecten zijn verdeeld over drie thema’s: adaptieve materialen, duurzaamheid en ontwikkeling van onderzoekplatforms. Vier van de promovendi uit het SAM-programma werken aan de RUG. Loos begeleidt twee van hen binnen het thema duurzaamheid. Zij zullen onderzoek doen naar polymeren gemaakt uit bio-grondstoffen en biologisch afbreekbare polymeren. De andere twee RUG-promovendi worden begeleid door hoogleraar Marleen Kamperman (adaptieve materialen) en UD Giuseppe Portale (onderzoekplatforms).

Het project dat Kamperman begeleidt (samen met haar collega prof. Wiebe de Vos van de Universiteit Twente) richt zich op een nieuwe coating die oppervlakken schoon moet houden. Als alles goed gaat zal die coating ook herbruikbaar zijn. De eerste stap in het project is het maken van een polymeer dat zich hecht aan een oppervlak, en een uitstekend deel bevat met een elektrische lading. ‘Vervolgens voegen we een tweede polymeer toe met een tegengestelde lading en met de eigenschap de hechting van verontreinigingen te blokkeren’, legt Kamperman uit. Dit tweede polymeer gaat aan het eerste vastzitten. ‘De verbinding tussen beide polymeren is te verbreken door de zuurgraad of de concentratie zouten te veranderen. Op die manier laat het tweede polymeer weer los en kun je het recyclen.’

De bedrijven in het programma zijn geïnteresseerd in verschillende toepassingen van dit systeem. Ze kunnen bijvoorbeeld de romp van schepen beschermen tegen aangroei, maar ook voorkomen dat je bureaustoel strepen maakt op de muur erachter. ‘De toepassing bepaalt welke polymeren er nodig zijn’, zegt Kamperman. Het maken van de juiste polymeren is de grote uitdaging van dit project. De ervaring die Kamperman en De Vos op dit terrein hebben zal de promovendus helpen dit te bereiken.

Röntgenstralen

Het project dat Giuseppe Portale leidt richt zich niet op het maken van nieuwe materialen, maar op het ontwikkelen van een techniek om nieuwe materialen te bestuderen. In de kelder van het Natuurkunde en Scheikunde gebouw heeft Portale’s groep een grote, unieke röntgenopstelling gebouwd waarmee het mogelijk is de structuur van materialen (in oplossing, bulk materiaal of dunne films) te onderzoeken op schalen van 1 tot 1000 nanometer. Een toepassing is bijvoorbeeld het bestuderen van het droogproces van verf. Portale schiet röntgenstralen op het monster onder een kleine of juist grote hoek, afhankelijk van de lengteschaal die hij wil onderzoeken. Het monster kaatst een deel van de straling terug, die dan wordt opgevangen door sensoren.

‘Het patroon dat de verstrooide straling oplevert vertelt ons iets over de structuur van het oppervlak van de monsters’, legt Portale uit. En niet alleen van het oppervlak. Door de hoek van de röntgenstraling aan te passen zullen ze dieper of juist minder diep in het materiaal doordringen voordat ze verstrooid worden. Op die manier is het mogelijk om bijvoorbeeld een 30 micrometer dikke laag coating of verf op verschillende diepten te onderzoeken. Bovendien beschadigt de methode het monster niet, dus kun je een coating tijdens het drogen blijven bestuderen.

‘Dit soort informatie kan producenten helpen om het droogproces te begrijpen en daarmee de samenstelling van de coating te verbeteren. Mijn promovendus zal verschillende coatings bestuderen die lijken op producten die al op de markt zijn. Ze hebben allemaal dezelfde ingrediënten, maar in verschillende hoeveelheden en combinaties.’ Op dit moment is het vinden van de juiste samenstelling een kwestie van uitproberen. De techniek die Portale nu gebruikt kan helpen om te achterhalen welke factoren de uiteindelijke structuur van een coating bepalen, en daarmee de eigenschappen.

Portale begon met het ontwikkelen van deze techniek bij de grote European Synchrotron X-ray Facility (ESRF) in Grenoble (Frankrijk). ‘Een faciliteit als de ESRF is veel krachtiger dan onze opstellingen en we gaan daar dan ook heen als we werken met processen die zich binnen een seconde afspelen. Het gebruik van verschillende technieken helpt ons te bestuderen hoe atomen, moleculen en nanodeeltjes zich ordenen in ruimte en tijd.’

Samenwerking

Nu bijna alle promotieprojecten gestart zijn is Katja Loos druk met het coördineren en bemiddelen, terwijl ze ook nog haar eigen onderzoek moet uitvoeren. ‘Een groot voordeel van dit programma is dat alle universitaire partners zich in Nederland bevinden. Het is dus eenvoudig om elkaar op te zoeken.’ Bovendien is de afstand tot de vestigingen van de industriële partners ook niet groot. ‘We hebben de afgelopen tijd al wat spontane bezoekjes zien plaatsvinden.’ Aan het eind van het programma zouden de partners elkaar beter moeten kennen, wat zal zorgen voor meer samenwerking tussen de universiteiten en de chemiebedrijven.