Duurzame coatings
Schone boot dankzij een haarborstel
Stel je een haarborstel voor. Gooi daar in gedachten knikkers van verschillende groottes op. Blijven ze liggen? Kruipen ze tussen de haartjes van de borstel? Als je een goede borstel hebt, zijn de haren stug en zitten ze dicht bij elkaar. Dat zorgt ervoor dat de knikkers ofwel van je borstel afglijden of dat de haren de knikkers zelfs weg laten stuiteren.
Zou je dat principe niet kunnen gebruiken, vroeg Annemarie Maan zich af. Zou je een laagje kunnen maken dat – net zoals de haarborstel – vuildeeltjes afstoot? Drie jaar lang heeft ze eraan gewerkt, maar nu weet ze: het kan.
Weerstand
Maan werkt als PhD-student bij het Zernike Institute for Advanced Materials. Daar werkt ze aan duurzame, vuilafstotende coatings die op schepen en boten kunnen worden aangebracht. Zo’n coating is belangrijk, want vuil zorgt dat boten meer weerstand hebben in het water. En dat zorgt weer voor meer brandstofgebruik. ‘Een schone boot zorgt dus voor minder brandstofgebruik en minder olie in de zee’, vertelt Maan.
Honderd jaar zonder vuil is niet mogelijk
Dergelijke vuilafstotende middelen bestaan al wel: ze liggen volop in de winkel én ze werken goed. Maar veel ervan bevatten metalen zoals koper. In vuilafstotende verf zitten ook vaak giftige stoffen, dus wanneer de verf afbladdert, komen die in het zeewater terecht. Daar kunnen ze de groei van planten belemmeren of zeedieren doden. En dus zoekt Maan naar een milieuvriendelijker materiaal.
Haar eerste idee was om het principe van de haarborstel precies over te nemen. Oftewel, ze wilde een soort haren creëren die de boot schoon kunnen houden. Daarbij maakte ze gebruik van polymeren, lange ketens van identieke moleculen. Dat kunnen plastics zijn, maar ook het zetmeel in een aardappel of cellulose in hout. Maan wilde twee verschillende polymeren aan elkaar plakken, die vervolgens konden dienen als de haren van een haarborstel.
Magneten
Het vuilafstotende laagje moest zich vormen doordat beide polymeren een tegenovergestelde lading hadden, waardoor ze aan elkaar gingen plakken als magneten. Aan de ene kant van het laagje zat een waterafstotend gedeelte dat zich kon binden aan een oppervlak, zoals de onderkant van een boot. Aan de andere kant zat het vuilafstotende deel dat in het water hing.
Soms snap je het zelf ook niet meer
‘Het grote voordeel van zo’n tweelagensysteem is dat je één laag eraf kan wassen wanneer er toch te veel vuil aan de boot zit’, legt Maan uit. ‘Honderd jaar zonder vuil is niet mogelijk, hoe goed de beschermlaag ook is.’
Maar met twee lagen hoef je alleen de buitenste laag eraf te wassen. En dat zou heel eenvoudig moeten gaan, doordat de twee polymeren als magneten aan elkaar plakken. ‘Dat scheelt tijd en kosten ten opzichte van één laag, direct op de boot’, zegt Maan.
Bolletjes
Helaas werkt dat nog niet zoals Maan zou willen. Het eerste polymeer vormt zichzelf namelijk tot een bolletje – een zogenoemde micel – wanneer het op een oppervlak wordt aangebracht. Ze heeft gekeken of ze deze micellen open kan breken, maar tot nu toe nog zonder succes. ‘Het was lastig uit te vogelen hoe het werkt’, zegt ze. ‘Waarom vormt het zich tot een micel?’
Uiteindelijk besloot ze maar verder te gaan met wat ze had. En toen gebeurde er iets wat ze niet had verwacht. Want zelfs met een eerste laag bolletjes, vormde het tweede polymeer een laagje. Ook van bolletjes. ‘Maar dit keer met allemaal draadjes eromheen’, zegt Maan. Als die tweede laag bolletjes goed tussen de eerste laag gaat zitten, zorgen de draadjes alsnog voor het borstelige effect. Hoe dit dan exact werkt, weet ze nog niet: ‘Terwijl je bezig bent, snap je het soms zelf ook niet meer.’
Meting
Maar dat het werkt is duidelijk zichtbaar op Maans testapparatuur. In de eerste meting zet ze het door haar gemaakte laagje in een machine die vuildeeltjes erlangs laat stromen. ‘Als er na deze meting vuil op blijft plakken, kijk ik niet verder’, vertelt Maan.
Altijd als het leuk begint te worden, moet je stoppen
Blijkt het laagje wel vuilafstotend te zijn, dan gaat ze kijken naar hoe het er verder uitziet en maakt ze een – sterk vergrote – foto van het oppervlak. ‘We gebruiken daarvoor atomic force microscopy’, zegt ze. ‘Dan scan je het oppervlak met een soort naald die op en neer gaat wanneer er verschil in hoogte is. Dit wordt door een laser gedetecteerd en omgezet naar een afbeelding.’
Zo zag Maan voor het eerst dat haar polymeren geen haartjes vormden, maar bolletjes, legt ze uit terwijl ze een foto van allemaal kleine rondjes op en naast elkaar laat zien.
Praktijk
Hoe het laagje in de praktijk gaat werken, is lastiger te bepalen. De snelheid van de boot is van invloed, maar ook of de boot in zoet of zout water ligt en welke temperatuur het water heeft.
‘Dat zou ik graag nog onderzoeken’, zegt ze. Zo zou ze een experiment willen doen waarin ze ‘haar’ laagje een paar weken in een bak met slootwater legt om te kijken wat de invloed van de tijd is op haar nieuwe materiaal. ‘Maar daar heb ik geen tijd meer voor. Altijd als het leuk begint te worden, moet je stoppen.’
Een echt duurzame oplossing is Maans laagje ook nog niet, geeft ze toe. Want haar materiaal bevat nog plastic polymeren die je liever niet in het water wilt hebben. Maar waar het echt om gaat, zegt ze, is de techniek. ‘Mocht die goed gaan werken in de komende jaren, kunnen onderzoekers kijken of ze hetzelfde kunnen doen met een duurzamer materiaal.’ Biologisch afbreekbare plastics bijvoorbeeld. ‘Die kunnen geen schade aanrichten.’
Annemarie Maan vertelt over haar werk op het blog Faces of Science.