Zelfhelend én recycleerbaar: VUB-onderzoek ontwikkelt duurzamere polymeren
Doctoraat focust niet alleen op de wetenschappelijke haalbaarheid van nieuwe materialen, maar ook op hun maatschappelijke impact
Een kras die vanzelf verdwijnt. Een kunststof onderdeel dat na beschadiging opnieuw kan worden hersteld. Of een hoogwaardig materiaal dat aan het einde van zijn levensduur niet op de afvalberg belandt, maar opnieuw kan worden gebruikt. Het klinkt futuristisch, maar volgens VUB-onderzoekster Lise Vermeersch ligt de sleutel mogelijk in een chemische reactie die al bijna een eeuw bekend is.
In haar doctoraat aan de VUB onderzocht Vermeersch hoe nieuwe zogenaamde zelfherstellende en recycleerbare kunststoffen slimmer kunnen worden ontworpen. Die materialen behoren tot een nieuwe generatie polymeren, de bouwstenen van onder meer coatings, lijmen, elektronica en composietmaterialen. Ze zijn sterk en licht, maar hebben één groot nadeel: eenmaal beschadigd of afgedankt zijn ze vaak moeilijk te herstellen of te recycleren.
"Veel van de materialen die we vandaag gebruiken zijn ontworpen om lang mee te gaan, maar niet om een tweede leven te krijgen", zegt Vermeersch. "Wij hebben onderzocht hoe we materialen kunnen ontwikkelen die sterk blijven, maar zich tegelijk kunnen herstellen, hervormen of laten recycleren."
Centraal in haar onderzoek staat de zogenaamde Diels-Alderreactie, een chemische reactie waarmee wetenschappers twee relatief eenvoudige moleculen als bouwstenen aan elkaar kunnen koppelen tot een grotere, ringvormige molecule. Die moleculaire verbindingen kunnen niet alleen gevormd, maar onder de juiste omstandigheden ook weer verbroken worden. Door de reactie ontstaan materialen die zich kunnen aanpassen aan hun omgeving en schade gedeeltelijk kunnen herstellen.
Omdat de reactie snel, efficiënt en zonder veel ongewenste bijproducten verloopt, is ze uitgegroeid tot een van de belangrijkste instrumenten in de organische chemie. De reactie werd in 1928, bijna 100 jaar geleden dus, beschreven door de Duitse chemici Otto Diels en Kurt Alder. Ze kregen er in 1950 de Nobelprijs Scheikunde voor.
Om beter te begrijpen welke chemische verbindingen het meest geschikt zijn als bouwstenen, voerde Vermeersch duizenden computersimulaties uit. Ze bracht patronen in kaart die bepalen hoe snel reacties verlopen en hoe stabiel de gevormde verbindingen zijn. Die resultaten werden samengebracht in een uitgebreide databank.
Daarnaast onderzocht ze of artificiële intelligentie kan helpen om nieuwe veelbelovende combinaties sneller te identificeren. "In plaats van voor elke mogelijke reactie complexe berekeningen uit te voeren, kunnen we machine learning gebruiken om snel te voorspellen welke kandidaten het meest interessant zijn", zegt Vermeersch. "Dat kan de ontwikkeling van duurzame materialen aanzienlijk versnellen."
Een belangrijke uitdaging bij zelfherstellende materialen is het vinden van een evenwicht tussen stevigheid en herstelbaarheid. Materialen moeten voldoende robuust zijn tijdens gebruik, maar tegelijk de mogelijkheid behouden om beschadigingen te herstellen of gerecycleerd te worden. Daarom onderzocht Vermeersch ook hoe katalysatoren, stoffen die chemische reacties versnellen, het proces kunnen ondersteunen zonder de delicate balans te verstoren.
Omdat grote moleculen voortdurend van vorm veranderen, ontwikkelde ze bovendien een nieuw computermodel, BoltCAR, dat rekening houdt met de vele mogelijke conformaties van een molecule. Daardoor kunnen onderzoekers nauwkeuriger voorspellen hoe materialen zich in de praktijk zullen gedragen. De inzichten uit die moleculaire simulaties werden vervolgens gekoppeld aan grotere computermodellen die het ontstaan en gedrag van volledige polymeren beschrijven. Laboratoriumexperimenten bevestigden daarbij de voorspellingen van de modellen.
Opmerkelijk is dat het doctoraat niet alleen focust op de wetenschappelijke haalbaarheid van nieuwe materialen, maar ook op hun maatschappelijke impact. Vermeersch ontwikkelde een kader waarmee onderzoekers al in een vroeg stadium kunnen nagaan of nieuwe materiaalconcepten niet alleen technisch werken, maar ook ecologisch en sociaal verantwoord zijn. "De vraag is niet langer alleen of we een nieuw materiaal kunnen maken", zegt ze. "We moeten ook nadenken over de gevolgen ervan voor mens, milieu en maatschappij. Duurzaamheid moet van bij het begin deel uitmaken van het ontwerpproces."
Meer info:
Lise Vermeersch +32 472 31 15 24
Titel doctoraat: Breaking Down the Building Blocks: Computational Exploration of Sustainable Covalent Adaptable Networks Based on Diels-Alder Chemistry
Video: https://youtu.be/ip_vmeqHoME?feature=shared
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c01748
AI modelling:
Conceptual DFT Meets Machine Learning: A New Route to Enhanced Diels–Alder Reactivity
https://doi.org/10.1002/jcc.70277
Katalyse:
Unravelling the Mechanism and Governing Factors in Lewis Acid and Non-Covalent Diels–Alder Catalysis: Different Perspectives
https://doi.org/10.3390/ijms24054938
Hydrogen-Bond-Assisted Diels–Alder Kinetics or Self-Healing in Reversible Polymer Networks? A Combined Experimental and Theoretical Study
https://doi.org/10.3390/molecules27061961
Experimentele validatie:
Experimental Development of Self-Healing Polymer Networks Supported by DFT Calculations
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c01859
Modellering van polymeren:
Computational Insights into Tunable Reversible Network Materials: Accelerated ReaxFF Kinetics of Furan-Maleimide Diels–Alder Reactions for Self-Healing and Recyclability
https://doi.org/10.1021/acs.jpca.4c05470
Frans Steenhoudt
