Geven van nieuwe eigenschappen aan nieuwe materialen

Prof.dr.ir. Dick Broer - Functional Materials

Met beoogde toepassingen als intelligente kleding, verkleurende ramen en biosensoren komt het onderzoek van Dick Broer erg dichtbij onze belevingswereld. Zijn aanpak: het geven van nieuwe eigenschappen aan bestaande materialen.

‘Mede dankzij mijn vinding zitten nu vrijwel alle tv-kijkers voor een lcd-scherm’. Dat was de kop boven een interview met prof.dr. Dick Broer (63) in Het Financieele Dagblad, eerder dit jaar. Een tikkeltje overdreven, oordeelt de Eindhovense hoogleraar Functional Materials and Devices als ik hem het artikel voorleg. Maar uit het gesprek dat volgt met Broer blijkt dat hij wel degelijk een cruciale vinding deed, en één die bovendien perfect illustreert wat hij met zijn onderzoek beoogt: toepassingen mogelijk maken door bestaande materialen nieuwe eigenschappen te geven.

Vloeibaar kristal

Het soort materiaal dat de afgelopen 25 jaar als een rode draad door zijn carrière loopt - en waarover hij uitgebreid en helder kan vertellen - is vloeibaar kristal. Een bijzonder soort materiaal, dat zich zowel als een vaste stof (kristal) als een vloeistof kan gedragen; het zit er precies tussenin. Wetenschappelijk gezien een interessant fenomeen, maar ook zeer toepasbaar: het is tegenwoordig overal om ons heen te vinden als onderdeel van lcd-schermen in televisies, laptops, horloges en magnetrons.

Dat vloeibare kristallen zo geschikt zijn voor in een beeldscherm komt voor een groot deel door hun reactie op elektrische stroom. Als je een stroom aanlegt op een vloeibaar kristal gaan de moleculen in het kristal zich in een andere richting oriënteren en dit verandert de manier waarop het kristal licht doorlaat. Van dit gegeven wordt in lcd-schermen gebruik gemaakt om bepaalde onderdelen (pixels) van het scherm donker of licht te maken.

Broer bedacht in de jaren tachtig hoe je vloeibare kristallen chemisch zo kunt bewerken dat ze in veel meer richtingen het licht kunnen uitzenden. Daarmee kon de kijkhoek van lcd-schermen worden verbreed - één van de problemen destijds die een doorbraak in de weg stonden. Dat we dus nu met zijn allen via een lcd-scherm televisie kijken is dus wel degelijk voor een deel dankzij het werk van Broer.

Chemisch knutselen

Die chemische bewerking – binnen de chemie bekend als het polymeriseren van vloeibare kristallen – is nodig om meer controle te krijgen over de ordening van de moleculen binnen een vloeibaar kristal. Dat principe is voor lcd-schermen inmiddels wel voldoende onderzocht, maar de groep van Broer zoekt nu de mogelijkheden hiervan in toepassingen als zonnecollectoren, sensoren en lithografie.

Dat is het onderzoek van Broer in een notendop: chemisch knutselen aan een materiaal zodat het eigenschappen krijgt die nuttig – zoals Broer zegt: ‘functioneel’ – kunnen zijn voor toepassingen. Die toepassingen lopen enorm uiteen. Energie, lucht- en waterzuivering, gezondheidszorg, consumentenverpakkingen: op tal van plekken kunnen we het werk van Broers groep op den duur tegenkomen.

Broer richt zich daarbij voornamelijk op polymeermaterialen (zoals gepolymeriseerd vloeibaar kristal) die reageren op bijvoorbeeld licht, vocht of temperatuur, zogeheten responsieve materialen. Die reactie kan bestaan uit een fysieke vervorming, zoals krimpen of uitzetten, maar ook bijvoorbeeld een verandering in structuur of optische eigenschappen (kleur) betekenen.

Met een filmpje (zie onder) demonstreert Broer wat dit kan betekenen: we zien een horizontaal plastic plaatje dat na beschijning van licht uit het niets opkrult als een rolfluitje. Dat is niet direct nuttig te gebruiken, maar hetzelfde principe ligt ten grondslag aan een raam dat verkleurt onder invloed van licht, en zo de temperatuur binnen kan reguleren.

Architectuur

Deze ramen zijn overigens twee van de voorbeelden van projecten die de groep van Broer in samenwerking met architecten doet om het ontwerp van gebouwen te verbeteren. Andere voorbeelden zijn het reguleren van zuurstof- en kooldioxideconcentraties met speciale nanomembranen of een zelfreinigend vermogen van ramen.

Ook valt te denken aan het reflecteren van licht door ramen naar andere delen van een ruimte. Broer gebruikt zijn eigen kantoor als voorbeeld: het is volop zonnig buiten, maar omdat de zon op zijn raam staat houdt hij de gordijnen dicht en moet hij alsnog zijn lampen aanzetten. Door het licht anders te reflecteren kun je ruimtes anders belichten en energie besparen.

Een deel van de groep van Broer zoekt de toepassing in wat ook wel bekend staat als intelligente kleding – kleding met nieuwe functionaliteiten. Zoals textielvezels die voor verschillende kijkhoeken een andere kleur hebben (interessant voor de modewereld) of vezels die zich bij hoge luchtvochtigheid (lees: zweten) verwijden zodat de kleding gaat ‘ademen’.

Tenslotte is het goed het onderzoek aan sensoren te noemen. Broer onderzoekt hoe je dunne kanaaltjes kunt aanleggen in plastic materiaal om een ‘lab-on-a-chip’ te maken, waarin speeksel of bloed getest kan worden op de aanwezigheid van ziekte. Met vergelijkbare sensoren zou je overigens ook de houdbaarheid van producten kunnen testen, en het resultaat daarvan live tonen op de verpakking.

Het lab van Broer onderstreept nog maar eens hoe dichtbij het onderzoek bij de praktijk staat: het is een kruising tussen een werkplaats en een laboratorium. Hightech print- en etsapparatuur staat tussen reguliere snijmachines. Stukken plastic liggen verspreid over de werktafels. Hier wordt de toekomst gefabriceerd waar je bij staat.

Auteur: Barry van der Meer

Terug naar het overzicht