Materialen begrijpen op alle schalen

Prof.dr.ir. Marc Geers – Mechanica van Materialen

Wie wel eens het televisieprogramma Air Crash Investigations op National Geographic Channel kijkt kan het beamen: in negen van de tien gevallen zit de oorzaak van een vliegtuigongeluk in het falen van de mechanica van een materiaal, bijvoorbeeld in de vorm van scheuren of andere schade. Sterker, in het algemeen geldt de mechanica als dé beperkende factor voor de eigenschappen in een materiaal. Prof.dr.ir. Marc Geers wil die mechanica begrijpen om zo levensduur van materialen te voorspellen en nieuwe of verbeterde materialen te ontwerpen.

“Deze tak van sport verdwijnt nooit”, zegt Marc Geers, hoogleraar Mechanica van Materialen aan de faculteit Werktuigbouwkunde, doelend op zijn onderzoeksgebied. Geers en zijn onderzoeksgroep houden zich bezig met het begrijpen van de mechanische eigenschappen van materialen, wat in de praktijk essentieel is om allerhande producten te ontwerpen, alsook om de sleutel te vinden voor het maken van nieuwe of betere materialen. “Er is altijd behoefte aan materialen die nóg taaier, sterker of betrouwbaarder zijn”, aldus Geers.

Meervoudig huwelijk

Als we het hebben over ‘de mechanica van een materiaal’, dan wordt in feite het krachtenspel bedoeld binnenin het materiaal dat leidt tot de mate waarin je een materiaal kunt uitrekken, buigen of breken. De mechanica bepaalt dus hoe stijf, sterk en taai een materiaal is. Schade, zoals een breuk of een scheur in het materiaal, is in feite dus altijd mechanisch van aard.

De mechanica is daarmee belangrijker dan menigeen zal denken. Voorbeeld: werkt een computerchip na verloop van tijd niet meer goed? Dan is daar altijd een mechanische oorzaak voor – ergens is een verbinding gescheurd of gebroken. De mechanica is dus bepalend, of beter: beperkend voor hoe interessante eigenschappen van een materiaal benut kunnen worden. Een materiaal kan misschien zeer goed geleiden of hittebestendig zijn, maar met de verkeerde mechanische eigenschappen kun je het in de praktijk onvoldoende benutten.

Het zal dus niemand verbazen dat Geers in de praktijk met name bezig is met materialen waarin we de grenzen kunnen verleggen als het gaat om betrouwbaarheid. Vooral bij schade- of scheurvorming is nog veel winst te halen. Zijn aanpak noemt Geers een ‘meervoudig huwelijk’. Aan de ene kant is het erg theoretisch; veel modelwerk met numerieke technieken om het gedrag van materialen te kunnen beschrijven. Tegelijkertijd verliest hij de praktische kant niet uit het oog door samenwerking met zowel materiaal-bewerkende bedrijven, zoals Tata Steel, als hightechbedrijven die materialen ten volle benutten, zoals Philips. 

Materiaal-lab anno 2013

Hij leidt zijn groep Mechanics of Materials sinds augustus 2000. Toen hij begon was hij nagenoeg de jongste, inmiddels is hij de oudste. “De ouderen zijn met pensioen, en onze groep is aangevuld met jongeren.” Zijn groep behoort tot de faculteit Werktuigbouwkunde, gehuisvest in het Gemini-gebouw. Zijn kantoor zit op de vierde verdieping, maar zijn lab, bekend als het ‘multi-scale lab’, zit vijf verdiepingen lager, op ‘-1’.

Verwacht in het lab overigens geen snijplanken of werkbanken om de stevigheid of vervorming van materialen te testen. Een mechanica-lab anno 2013 staat vol met diverse geavanceerde microscopen en allerlei kleine mechanische proefbankjes. De groep van Geers werkt dus niet met klassieke grote trekbanken, maar met hightechproefjes op allerlei schalen. De onderzoekers leiden, aan de hand van hun voorkennis en modellen, uit diverse microscopische afbeeldingen af hoe het er in een materiaal aan toe gaat. Ze ‘zien’ de mechanismes die aan de grondslag liggen van die grensverleggende eigenschappen.

Multiscale

Sinds een paar jaar is de groep van Geers zich gaan richten op een nieuwe, revolutionaire methode om naar materialen te kijken. Zijn opzet is zo vernieuwend dat hij hier onlangs een ERC Grant ter waarde van 2,5 miljoen euro voor toegewezen kreeg – één van de grootste onderzoeksubsidies die een individuele onderzoeker kan krijgen. De crux zit hem in het analyseren van materiaalgedrag over verschillende lengteschalen – een aanpak die binnen de wetenschap als ‘multiscale’ bekend staat. Dit onderzoek valt dan ook binnen het Eindhoven Multiscale Instituut van de TU/e.

Ik zal hier een poging doen zijn methode toe te lichten, ondanks dat de aanpak abstract en complex van aard is. Je kunt naar een materiaal kijken op verschillende lengteschalen, bijvoorbeeld op een hele kleine schaal – de interactie tussen atomen en moleculen – of juist op de schaal zoals wij mensen een materiaal ervaren (de ‘macroschaal’). Daar zit uiteraard een verband tussen; hoe sterk atomen aan elkaar vastgeklampt zitten heeft bijvoorbeeld effect op de sterkte op grote schaal.

Metamaterialen

Geers wil die relatie tussen wat zich op verschillende schalen afspeelt begrijpen en beschrijven, in het bijzonder de manier waarop afwijkingen van het gemiddelde gedrag op de microschaal kunnen leiden tot schade of breuken. Maar dat niet alleen, met zijn methode hoopt hij ook op bijzonder materiaalgedrag te stuiten dat niet in de natuur voorkomt, zogenaamd metagedrag. Zulke ‘metamaterialen’ hebben namelijk zeer contrasterende eigenschappen op de microschaal, wat leidt tot uitzonderlijk gedrag op de macroschaal.

Het type metamateriaal waar het dan voornamelijk om gaat is een zogenaamd akoestisch metamateriaal, een materiaal dat bepaalde frequenties kan filteren en geluid kan dempen. Eenvoudige akoestische metamaterialen bestaan al, maar hij hoopt met zijn unieke aanpak nieuwe complexere soorten te ontsluiten.

Focus op de methode

Over concrete toepassingen wil Geers nog niet teveel vooruitlopen. Zulke materialen bieden uiteraard een veelbelovend perspectief om lage frequenties geluid goed te dempen, die juist vaak een probleem vormen, of om veel beter energie te absorberen uit trillingen of botsingen, bijvoorbeeld in auto’s. Geers wil echter eerst de focus leggen op de kracht van de methode. Pas later zal blijken tot wat voor toepassingen hij hiermee (nog meer) in staat is. Hij ontwikkelt graag iets wat voor meerdere doeleinden gebruikt kan worden.

Het werk van Geers zal voor de leek mogelijk voelen als een ‘ver-van-je-bed-show’. Wat in zekere zin onterecht is, omdat het begrip van materialen aan de basis ligt voor veel van de huidige producten die we gebruiken. Wat voor Geers spreekt is dat hij de gave heeft om de toehoorder mee te nemen in zijn abstracties, om zo in ieder geval het idee te geven dat je het denkt te begrijpen, en te laten inzien dat hij bezig is om een totaal nieuwe kijk te ontwikkelen op materiaalgedrag. Dat is een revolutie die het waard is meer bekendheid te krijgen.

Auteur: Barry van der Meer

Terug naar het overzicht