Polymeer: de bouwstenen achter de slimme materialen van morgen
Een polymeer is een reusachtige molecule die is opgebouwd uit talloze kleinere, zich herhalende bouwstenen. Denk aan een trein: elke wagon lijkt op de vorige en ze zijn allemaal aan elkaar gekoppeld tot één lange, doorlopende trein. In de scheikunde heten die "wagons" monomeren, en de aaneengeschakelde trein is het polymeer. Sommige van die ketens zijn kaarsrecht, andere zitten vol vertakkingen en dwarsverbindingen, en juist die bouwwijze bepaalt of het eindresultaat hard en bros is, rekbaar als rubber, of taai en buigzaam als plastic folie.
Polymeren zijn overal: van de cellulose in hout en katoen tot de eiwitten in je lichaam, en van pvc-buizen tot de folie om een boterham. Wat polymeren de laatste jaren interessant maakt voor toekomsttechnologie, is dat onderzoekers steeds beter leren om deze moleculaire ketens op maat te ontwerpen. Ze geven polymeren nieuwe eigenschappen die vroeger alleen bij metalen of glas hoorden: ze geleiden elektriciteit, ze herstellen zichzelf na een kras, of ze lossen na gebruik netjes op in de natuur. Daardoor duiken polymeren op in buigzame beeldschermen, batterijen, zonnepanelen en zelfs medische implantaten.
Wat is het precies?
Een polymeer ontstaat via een chemisch proces dat polymerisatie heet. Daarbij worden kleine molecuulbouwstenen, monomeren genoemd, met elkaar verbonden tot lange ketens. Een bekend voorbeeld is ethyleen, een klein gasmolecuul, dat tijdens polymerisatie duizenden keren achter elkaar wordt gekoppeld tot polyethyleen, het meest gebruikte plastic ter wereld.
Hoe die ketens vervolgens met elkaar omgaan, bepaalt het karakter van het materiaal. Bij thermoplasten liggen de ketens los naast elkaar, als spaghetti in een pan. Verwarm je het materiaal, dan glijden de ketens langs elkaar en wordt het zacht en vervormbaar; laat je het afkoelen, dan wordt het weer vast. Dit is het type plastic dat je kunt smelten en hervormen, zoals in 3d-printfilament.
Bij thermoharders zijn de ketens juist chemisch aan elkaar vastgeklonken met dwarsverbindingen, een beetje als een visnet in plaats van losse draden. Eenmaal uitgehard blijven ze hard, ook bij verhitting; ze verbranden eerder dan dat ze smelten. Epoxyhars is hier een voorbeeld van. Elastomeren, zoals rubber, hebben ook dwarsverbindingen, maar de ketens tussen die verbindingen zijn los genoeg gekronkeld om flink uit te rekken en daarna weer terug te veren.
Een nieuwere ontwikkeling zijn geleidende polymeren: plastics die, in tegenstelling tot gewoon plastic, wél elektrische stroom doorlaten. Dat lukt door de moleculaire structuur zo te ontwerpen dat elektronen zich langs de keten kunnen verplaatsen, vergelijkbaar met hoe stroom door een metalen draad loopt, al is de geleiding doorgaans veel zwakker dan bij metaal. Ook zelfherstellende polymeren zijn in opkomst: materialen met chemische bindingen die na beschadiging spontaan, of met een beetje warmte of licht, weer aan elkaar groeien.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van het onderzoek naar polymeren is dat je, door de bouwstenen en de manier van koppelen te veranderen, een materiaal vrijwel op maat kunt ontwerpen. Wil je iets keihard en hittebestendig, of juist superflexibel en doorzichtig? Met de juiste combinatie van monomeren en ketenstructuur is dat in principe te sturen, wat polymeren aantrekkelijk maakt als alternatief voor metaal, glas of keramiek in toepassingen waar gewicht, flexibiliteit of kosten een rol spelen.
Een tweede drijfveer is verduurzaming. De meeste huidige kunststoffen worden gemaakt uit aardolie en breken nauwelijks af in de natuur, wat bijdraagt aan de plasticvervuiling van bodem en oceanen. Onderzoekers werken daarom aan polymeren op basis van plantaardige grondstoffen en aan varianten die wél composteerbaar zijn, zodat het gebruiksgemak van plastic behouden blijft zonder de eeuwenlange nasleep.
Een derde ambitie ligt in elektronica en energie. Geleidende en halfgeleidende polymeren zouden dunne, buigzame en goedkoop te produceren alternatieven kunnen bieden voor de starre siliciumchips en metalen bedrading die nu de norm zijn. Denk aan schermen die je kunt oprollen, sensoren die met je huid meebewegen, of batterijen met een vaste, polymere binnenstof in plaats van de brandbare vloeibare elektrolyt die in de huidige lithium-ionbatterijen zit.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste geleidende polymeren is PEDOT:PSS, dat al sinds de jaren negentig wordt gebruikt en inmiddels breed wordt toegepast als doorzichtige, buigzame elektrode in onder meer flexibele beeldschermen, aanraaksensoren en anti-statische coatings.
In de batterij-industrie experimenteren fabrikanten en onderzoeksinstituten met vaste-stof polymeerelektrolyten: een polymere laag die de rol van de vloeibare elektrolytvloeistof overneemt. Het Franse bedrijf Blue Solutions, onderdeel van de Bolloré-groep, produceert al langer lithium-metaalbatterijen met een polymere vaste elektrolyt, onder meer voor elektrische deelauto's en buslijnen in Europa. Bredere doorbraak in consumentenelektronica en personenauto's laat vooralsnog op zich wachten, mede door beperkingen in geleidbaarheid bij kamertemperatuur.
Op het gebied van zonne-energie wordt al zeker twee decennia onderzoek gedaan naar organische zonnecellen (OPV, organic photovoltaics), waarbij polymeren en verwante koolstofmoleculen zonlicht omzetten in stroom. Ze zijn lichter en flexibeler dan traditionele silicium-zonnepanelen, en kunnen zelfs semi-transparant worden gemaakt voor toepassing in ramen, al blijft het rendement doorgaans lager dan bij silicium.
In de bioplasticshoek is polymelkzuur, beter bekend als PLA, het bekendste voorbeeld: een polymeer gemaakt van plantaardig zetmeel (vaak maïs) dat onder industriële composteeromstandigheden afbreekbaar is en inmiddels veelvuldig wordt gebruikt in 3d-printfilament, wegwerpbestek en verpakkingen.
Ook zelfherstellende coatings en rubbers zijn de labfase voorbij: verschillende universiteiten en materiaalbedrijven hebben sinds de jaren 2010 polymeercoatings ontwikkeld die kleine krassen op bijvoorbeeld autolak of telefoonschermen automatisch dichttrekken, doorgaans met behulp van warmte uit de zon of de omgevingstemperatuur.
Hoe ver is de techniek?
Klassieke polymeren zoals polyethyleen en pvc zijn volledig uitontwikkelde, industrieel gerijpte technologie die al decennialang op grote schaal wordt geproduceerd. De "slimme" varianten, zoals geleidende, zelfherstellende en biologisch afbreekbare polymeren, bevinden zich in heel verschillende ontwikkelfasen: sommige, zoals PEDOT:PSS-elektrodes en PLA-bioplastic, worden al commercieel toegepast; andere, zoals hoogpresterende polymeerbatterijen voor consumentenelektronica, zijn nog vooral onderwerp van laboratorium- en pilotonderzoek.
Een terugkerend obstakel is de afweging tussen prestatie en praktische bruikbaarheid. Geleidende polymeren geleiden doorgaans veel minder goed dan metalen en kunnen verouderen onder invloed van vocht en zuurstof. Zelfherstellende materialen herstellen vaak alleen kleine, oppervlakkige beschadigingen en verliezen na herhaald herstel een deel van hun oorspronkelijke sterkte. Bioafbreekbare kunststoffen breken in de praktijk vaak alleen goed af onder specifieke industriële composteeromstandigheden, en niet zomaar in een gewone tuincompostbak of in zee.
Ook opschalen naar massaproductie blijft een uitdaging: veel geavanceerde polymeren zijn nog aanzienlijk duurder dan de gangbare bulkplastics, en recycling van complexe polymeercomposieten, waarin verschillende materialen chemisch met elkaar zijn verbonden, is notoir lastig. Het onderzoeksveld ontwikkelt zich gestaag, met regelmatig kleine stappen vooruit, maar zonder dat er op korte termijn één grote doorbraak wordt verwacht die alle knelpunten in één keer oplost.
Wie werken eraan?
Grote chemieconcerns als BASF, Dow, Covestro en DSM-Firmenich investeren fors in onderzoek naar nieuwe polymeren, van biobased kunststoffen tot functionele coatings. In de batterij- en elektronicasector werken gespecialiseerde bedrijven zoals het eerdergenoemde Blue Solutions aan polymere elektrolyten, terwijl chipbedrijven en universitaire spin-offs experimenteren met organische, op polymeren gebaseerde elektronica.
Op onderzoeksgebied lopen instituten als de Duitse Fraunhofer-instituten, het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) en diverse Nederlandse technische universiteiten, waaronder de TU Eindhoven met haar sterke traditie in polymeerchemie, voorop. Ook nationale en Europese onderzoeksprogramma's, gericht op duurzame materialen en de "circulaire economie", financieren veel van dit werk.
Geografisch is de ontwikkeling sterk verspreid: Duitsland en Nederland hebben een lange industriële traditie in polymeerchemie, de Verenigde Staten zijn toonaangevend in fundamenteel onderzoek naar geleidende en organische elektronica, en landen als Zuid-Korea, Japan en China investeren zwaar in de toepassing van polymeren in batterijen en beeldschermtechnologie.