“Floyd Landis reed op nanotechnologie"

"Ultra–lichte koolstofvezels zijn sterker dan staal” De NASA deed er reeds zijn ruimtetuigen mee in de jaren ‘70. Via enige F16-vleugels, Formule1-chassis en Ferrari-spoilers raakte het gebruik ervan meer en meer verspreid. Gedurende het laatste decennium tekende deze evolutie zich ook af in de wielersport:

Kaders, wielen, onderdelen en accessoires zijn het best in carbon. In de jaren ’90, op het moment dat dit materiaal zijn steile opgang maakte, deden onderzoekers in hun labo intussen echter al weer experimenten met een nieuw type vezel: koolstof nanobuizen, 1000 maal fijner, maar nog sterker. Ze zijn deel van de nanotechnologie op basis van fullerenen. De eerste superdure racefietsen en MTB’s van dat soort makelij maakten enkele maanden geleden hun debuut.

Carbon

De noeste flandrien op zijn stalen ros lijkt soms vervangen door een laag vliegende aëronaut, als gegoten passend in zijn tuig van carbon. Carbon is in principe het Engelse woord voor koolstof, maar staat pars pro toto voor het composietmateriaal dat gevormd is uit de synergie van koolstofvezel als sterkhouder en een hars als bindende matrix. Die koolstofvezel wordt traditioneel verkregen na pyrolyse van polyacrylonitril. Waterstofgas en stikstofgas worden uitgedreven en linten van hexagonale aromatische ringen, net als in grafiet, ontstaan . Die pakken samen en vormen vezels. Al naargelang het verhittingsproces krijgt men lichtgewicht vezels van vijf à acht µm diameter, met een specifieke sterkte (stevigheid/dichtheid) die tot vijftig keer hoger kan liggen dan bij staal. Ze worden al naargelang verwerkt in bijvoorbeeld trendy kledij, ophangbruggen, zeilboten, tennisrackets, golfsticks, MTB’s e.a.

Fullerenen

Nog veel meer toepassingen zullen echter in de toekomst weggelegd zijn voor koolstof nanobuizen, ook wel buckybuizen genoemd. Ze behoren tot de klasse van fullerenen, die naast diamant en grafiet een derde allotroop van koolstof betekenen. Buckybuizen vormen voor het eerst de ideale, perfect geordende vezel, waarvan de structuur tot op atomair niveau volledig gekend is. Het is deze voorspelbaarheid die buckybuizen onderscheidt van andere koolstofvezels en hen samen met andere fullereenmoleculen (o.a. buckyballen) in een speciale categorie van prototype materialen plaatst . Buckybuizen zien eruit als een enkele laag grafiet, met dezelfde sp2 binding, maar dan met soms een pentagonale (of heptagonale) ring, in plaats van louter hexagonale ringen, waardoor ze tot cylinders kunnen rollen. Hun diameter is een nanometer (miljardste meter). Hun lengte kan echter duizenden keren groter zijn. En hun specifieke sterkte overtreft bijna tweehonderd maal die van staal.

Experimenten lopen reeds om buckybuizen samen te binden tot een touw dat kan dienen als ruimtelift. Naast hun specifieke structuur hebben buckybuizen ook nog eens heel wat speciale elektronische eigenschappen. Tot de verbeelding sprekende toepassingen bevinden zich in de zogenaamde electrotextiel sector: de vezel wordt geweven als gewone kledij, maar heeft de eigenschappen van een sensor, antenne, of batterij incluis . En op biochemisch vlak zouden ze kunnen gebruikt worden als membranen voor moleculaire scheiding of voor osteointegratie (groei van beendercellen) . Dit alles blijft eerder experimenteel. De buckybuis als structuurelement is wel al een industrieel gegeven. Zo bouwde BMC in 2005 de eerste fiets waar nanotechnologie aan te pas kwam, genaamd ‘Time machine’. Floyd Landis reed op zo’n exemplaar. In de toekomst zou een fietskader van amper 600 gram mogelijk kunnen zijn !

Carbon frame

Er bestaan meerdere technieken om een carbon fietskader te bouwen. Omwille van de anisotropie speelt de ingenieur in alle stappen van het productieproces de bepalende rol voor de finale kwaliteit: de zuiverheid van de vezel, de wijze van weven, de verwerking in het hars, het uitharden in een pers of een autoclaaf. Op de markt is het aanbod bijgevolg niet steeds evenwaardig. Meer hars dan vezel, bij wijze van spreken. De fabricage van het meest gebruikte hars, epoxy, is, net als bij de vezel, een toepassing van polymeerchemie, namelijk een condensatie van epichloorhydrine met bisfenol A. Deze thermoharder is vooral gekend als twee-componentenlijm. Overmatige aanwending in vergelijking met de hoeveelheid vezel maakt een carbon frame zwaarder en zeker niet steviger, maar wel goedkoper.

Sommige kaders zijn als één geheel in een mal geproduceerd (monocoque). Anderen bestaan echter uit carbon, aan elkaar gehecht via aluminium koppelstukken. Dit is een controversiële methode. Er bestaat immers een kans op elektrolytische reacties tussen de koolstof vezel en het aluminium (galvanische corrosie). Bovendien kunnen bij extreme omgevingstemperaturen beide materialen een verschillende uitzettingsgraad vertonen. Als er dan toch metaal moet gebruikt worden, zou het titanium moeten zijn. Dat is in tegenstelling tot aluminium en staal niet gevoelig voor corrosie. En het heeft een gelijkaardige thermische expansiecoëfficiënt als carbon. Het anodiseren (bedekken met een oxide laag) van de aluminium onderdelen is een andere doch minder duurzame optie. Nog verscheidene manieren bestaan om het metaal van het carbon te isoleren, maar er blijven fouten gemaakt worden wat uiteindelijk tot materiaalbreuk kan leiden. Niet leuk indien dit gebeurt aan hoge snelheid. Verdere probleempunten zijn het maken van gaten in het carbon, om bijvoorbeeld de drinkbushouders in te schroeven. Unidirectioneel geweven vezels ondergaan daardoor meteen een grote stress. Ook een juiste verf die het matrixmateriaal tegen de UV-stralen beschermt is noodzakelijk. Indien op al deze zaken gelet wordt is de fiets op basis van carbon outstanding ten opzichte van zijn metalen tegenhanger.

Futurisme

Tot op heden zijn de composietmaterialen met nanotechnologie nog niet zo verschillend van het traditionele carbon. Buckybuizen nemen er niet de plaats in van de koolstofvezel, maar zorgen slechts voor aanvulling. De zwakste plekken waren de openingen tussen de vezels, die enkel hars bevatten. Buckybuizen zijn zo klein dat ook zij die kritieke ruimtes kunnen opvullen. Dit verbeterd ‘harssysteem’ vergroot de stevigheid reeds spectaculair, maar op die wijze nemen buckybuizen als matrixmateriaal nog niet de primaire steunfunctie in.

De komende jaren zal dit waarschijnlijk wel gebeuren, zodra de ongelooflijke sterkte van individuele buckybuizen gebundeld wordt tot een vezel of fibrilleus netwerk, waarin geen enkele verschuiving meer optreedt. Hiertoe moeten er, naast het uit zichzelf aggregeren van de buisjes, extra interconnecties en kruiselingse verbindingen komen, enigzins naar het natuurlijk voorbeeld van spinrag. Daar komt de stevigheid voort uit een eerder amorfe schakeling van rigide kristallijne proteïneblokken. In de nanotech-instituten boekte men reeds goede resultaten met amorfe polyvinyl alcohol als interfase. Dergelijke lange, perfecte vezels met extreem hoge dichtheid zouden de sterkste en lichtste structuur vormen die ooit gezien is. Aan chemische technologieën voor een schaalvergroting van de productie wordt ook gedacht. Het Belgisch bedrijf, Nanocyl, bekleedt momenteel een leidende positie. Men maakt er de buckybuizen in een proces waarbij koolstof bevattende stoom over een katalysator wordt geleid. Een andere manier behelst een elektrolyse waarbij startend van grafiet buckybuizen worden afgezet aan de kathode. Ten derde zijn er ook mogelijkheden voor het gebruik van sterke lasers. Toepassingen zouden, mede door de bijkomende elektronische en thermische eigenschappen van de vezels, talloos zijn: niet alleen de hele fiets, maar ook de koersbril met ingebouwde warmtegeleiders tegen het aandampen. En daarnaast de verdere uitrusting van schoen tot helm, met overal de nodige minuscule sensors en antennes voor verbinding met de achterban, communicerend via satellieten die in de ruimte ronddraaien dankzij zonnezeilen gemaakt uit koolstof nanobuizen. © 2007 - 2008 S0005141, gepubliceerd in Scheikunde (Wetenschap) op 22-11-2007, laatst gewijzigd op 05-12-2007. Het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van S0005141 is vermenigvuldiging van dit artikel verboden. Meer...

Verwante artikelen

• De kleinste Bijbel ter wereld komt uit Zion: Uit Zion komt de kleinste Bijbel ter wereld, gegraveerd in goud op silicon, om de wetenschap van nanotechnologie te illustreren. Meer dan 300.000 woorden en 1,2 m…
• De nieuwe iPod Nano: De iPod Nano is een van de best verkopende Mp3-spelers van deze tijd. Nog niet al te lang heeft deze Nano een nieuwe uitstraling. De kwaliteit van de iPod’s is ook hier duidelijk aanwezi…
• Carbon frame: Lichte fiets, zware voetafdruk: Vandaag rijdt ietwat fietser rond op een aluminium frame. Dat is immers heel wat lichter dan een stalen raamwerk. Sinds de fietswereld het uit de ruimtevaart ove…
• Creative: Travelsound i80 docking speaker voor iPod Nano: Creative heeft onlangs haar nieuwe docking speaker geïntroduceerd. De Creative Travelsound i80 docking speaker is speciaal ontwikkeld voor de iPod Na…
• De iPod van Apple: De iPod van Apple is zo bekend en populair dat de naam bijna synoniem is aan MP3-speler. Niet zelden wordt er over iPods gesproken als ook spelers van andere merken wordt bedoeld.

Bronnen en/of referenties

• De Waele, T. http://db2.erc.ch/db/cycling/frame.asp 2007
• Dalton, A. (2003). Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature 423: 703
• Easton Sports, Inc. http://www.eastonbike.com/TECHNICAL/technical_bulletins.html (2007)
• Zhang, M, (2005). Strong, transparent, multifunctional, carbon nanotube sheets. Science 309 (5738): 1215-1219
• Daenen, M. (2003). The Wondrous World of Carbon Nanotubes, TU/e-review: 33