Secret Materials Ontdek de wereld van nieuwe materialen Een leermiddel voor Europese aspirant-wetenschappers Overhemden die niet kreuken, papier gemaakt van de restanten van appelsapproductie of achterruiten met programmeerbare lampen. Naar schatting 70% van productinnovatie is gebaseerd op materialen met nieuwe of verbeterde eigenschappen. Materialen spelen een belangrijke rol bij het creëren van groei en welvaart in Europa. Het is belangrijk om de aandacht te vestigen op de invloed en mogelijkheden van het hedendaagse onderzoek naar materialen en om mensen bewust te maken van het potentieel dat nieuw materiaal heeft om ons leven te verbeteren, om industriële productie duurzamer te maken en om welvaart en banen te creëren in Europa. Wat niet mag ontbreken tijdens de ontwikkeling van een succesvol innovatieproces is de overgang van een technologische oplossing naar een verkoopbaar product. De voorbeelden van innovatief materiaal in deze doos zijn klaar om ontdekt te worden aan de hand van praktijkexperimenten. Deze doos met ‘Secret Materials” bevat een aantal voorbeeldproducten van nieuwe materialen en bevat uitleg en opdrachten die hun eigenschappen tonen. We hopen dat dit vooral kinderen en jonge mensen zal aanspreken. Behalve dat het plezier biedt, probeert deze doos ook een beeld te schetsen van wat je met materiaalkennis en techniek kunt bereiken. Onderzoek geeft vorm aan de wereld van de toekomst. Kinderen mogen de experimenten alleen onder toezicht van een volwassene uitvoeren. Veel plezier met het ontdekken van hun geheimen!
1
Materiaal
Vormgeheugenlegering
Bijnaam
Vormveranderaar
Kun je het terug buigen? Opdracht: Breng een draad terug in zijn oorspronkelijke vorm!
Dankzij innovatieve vezeltechnologie is het nu mogelijk om een hele serie ‘slimme’ stoffen te maken. Vormgeheugenlegeringen zijn gemodificeerd zodat ze in de geweven structuur kunnen worden opgenomen. Er bestaan al nieuwe soorten stoffen die reageren op de omgeving door een bepaalde vorm aan te nemen. Een Europees kledingbedrijf heeft bijvoorbeeld een hemd geproduceerd dat gemaakt is van NITINOL-stof, die zichzelf strijkt. Je hebt alleen een föhn nodig, omdat de stof op nylonbasis is en een thermische vormgeheugenlegering heeft die, als deze verhit wordt, zijn oorspronkelijke vorm weer
Het Materiaal
Experiment
aanneemt. Andere ontwerpers gebruiken geheugenvezels in de mode. 1. Buig de Vormveranderaar en laat je fantasie de vrije loop (probeer geen diameters kleiner dan 12 mm te buigen) 2. Giet heet water in een kom (temp > 60° C) 3. Laat voorzichtig de Vormveranderaar in de kom glijden en zie hoe die verandert.
Een vormgeheugenlegering (VGL) kan zijn oorspronkelijke vorm onthouden. Deze kan bij lage temperaturen plastisch worden vervormd en kan na verhitting boven de overgangstemperatuur, b.v. in warm water, terugkeren naar de vorm die het heeft onthouden. Vormgeheugenlegeringen worden ook wel “geheugenmetalen” genoemd. In de fase waarin de legering terug verandert naar zijn oorspronkelijke vorm komen er sterke krachten vrij. Daarom worden geheugenmetalen in de techniek gebruikt als aandrijving voor verschillende toepassingen zoals hydraulische, pneumatische en gemotoriseerde systemen. Vooral VGL’s op koper- en nikkel/titaniumbasis worden beschouwd als bouwmateriaal. Sommige van deze legeringen met een goede bio-compatibiliteit worden gebruikt voor medische toepassingen waarbij er beperkte ruimte is voor beweging, bijvoorbeeld bij de hartkleppen. De warmte van het bloed is voldoende om het geheugeneffect op gang te brengen, de stent te doen uitzetten en de hartklep te veranderen naar zijn actieve vorm.
2
Materiaal
Keramisch Behang
Bijnaam
Waterspoor
Kun je er doorheen glippen? Opdracht: Leid je vracht door de doolhof!
De vervanging van klassieke bouwmaterialen door lichtere materialen met multifunctionele eigenschappen neemt aanzienlijk toe. Het doel is om de hoeveelheid benodigd materiaal voor een civiele bouwopgave te reduceren en verscheidene functionele aspecten in één materiaal te integreren. Bovendien maakt nanotechnologie compleet nieuwe productconcepten mogelijk. Een uitstekend voorbeeld daarvan is de flexibele muurbedekking CCFLEX®, die met name geschikt is om keramische tegels in voornamelijk natte ruimten te vervangen. Het is bijna net zo gemakkelijk
Het Materiaal
Experiment
in gebruik als behang.
1. Doe een behoorlijke druppel water op de bedrukte zijde van het Waterspoor 2. Laat de druppel over het oppervlak bewegen door het proefstuk licht op en neer en van links naar rechts te bewegen 3. Vermijd de bedrukte grenzen van de doolhof en breng de druppel veilig thuis
CCFLEX® is een unieke, flexibele keramiek die de gebruiksvoordelen van gewoon behang biedt in combinatie met de eigenschappen van een stenen oppervlak, ontwikkeld door Evonik Degussa. Het lichte materiaal is in principe 100% waterdicht, bestand tegen UV en zeer kras-, chemisch- en vuurbestendig. Het materiaal is gebaseerd op een gepatenteerde technologie die het mogelijk maakt om flexibele polymeerfleece te bedekken met keramiek, waardoor het een anorganische buitenkant krijgt. De eigenschappen van het product kunnen naar wens aangepast worden voor specifieke toepassingen op vele gebieden door middel van een continu proces. Met name in natte ruimtes kan het wedijveren met de professionele tegels die eerder gebruikt werden. Tevens kan het voorzien worden van bijzondere eigenschappen zoals een ‘gemakkelijk schoon te maken’ eigenschap en kan het met standaard gereedschap in diverse vormen worden geknipt en op de meeste oppervlakken worden aangebracht. De producten werden in 2010 in Europa geïntroduceerd.
3
Materiaal
Thermochromatisch Pigment
Bijnaam
Detectiepapier
Kun je ermee omgaan? Opdracht: Activeer het geheime oppervlak!
Behang dat van kleur verandert nadat je het met je hand hebt aangeraakt of stoelzittingen die je zitpositie duidelijk herkenbaar maken na gebruik bestaan al. De laatste jaren hebben materialen en materiaalcoatings die reageren op invloeden uit de omgeving hun weg gevonden naar alledaagse producten. Ze worden ‘slim’ genoemd omdat hun eigenschappen veranderen door externe prikkels. Thermochromatische (hittegevoelige) pigmenten werden aanvankelijk ontwikkeld voor veiligheidsdoeleinden, bijvoorbeeld om het ongewenst opwarmen van voedsel tijdens gekoelde transporten te detecteren, maar bieden tegenwoordig veel interessante mogelijkheden voor de
Het Materiaal
Experiment
wereld van reclame, meubelontwerp en mode.
1. Plaats het detectiepapier tussen je handpalmen, zorg dat je hand binnen de gemarkeerde cirkel blijft. 2. Wacht 5 tot 10 seconden totdat de reactie jouw innerlijke geheimen prijsgeeft.
Een materiaal ontwikkelt thermochromatische eigenschappen, d.w.z. het vermogen om van kleur te veranderen door een verandering van temperatuur, door thermochromatische pigmenten te integreren in een coating. Het thermochromatische effect wordt veroorzaakt door veranderingen in de kristalstructuur. Typische thermochromatische materialen zijn onder andere anorganische metaaloxiden (b.v. zinkoxide, vanadiumoxide), polymeermengsels of vloeibare kristallen, die als ze verwarmd worden niet onmiddellijk veranderen van kristallijn naar vloeibaar. Er wordt voortdurend onderzoek verricht naar met name hittegevoelige gels op waterbasis voor zonnebescherming. Thermische lakken voor vele toepassingen zijn nu al verkrijgbaar en deze kunnen op de meeste oppervlakken gemakkelijk worden aangebracht. De reactietemperatuur kan worden aangepast en de kleurveranderingen kunnen worden bepaald. Thermochromatische harsen kunnen gemengd worden met conventionele persmaterialen en gebruikt worden voor de productie van plastic onderdelen.
4
Materiaal
Lichtgevend Aluminium
Bijnaam
Geheime lichten
Kun jij de code ontcijferen? Opdracht: Maak een geheim bericht!
Lichtgevende materialen en stoffen zijn van oudsher vooral interessant voor ontwerpers en architecten. Voorbeelden hiervan zijn ‘nagloeiende’ vezels en stoffen of lichtgevende onderdelen geïntegreerd in steen. Lichtgevende materialen zijn niet alleen een kunstgreep, maar kunnen ook nuttig toegepast worden voor bijvoorbeeld veiligheidsdoeleinden. Indien in publieke gebouwen de elektriciteit uitvalt kan er gemakkelijk paniek uitbreken en kunnen er ongelukken gebeuren. Een speciale coating voor aluminium oppervlakken biedt hulp – het nagloei-effect duurt ongeveer een uur en
Experiment
kan gebruikt worden om plafonds of muren te bekleden.
1. Verwijder de beschermlaag van "het geheime licht" 2. Plaats het gecodeerde bericht op het actieve oppervlak 3. Stel het bloot aan licht, draai het bericht 180°, stel dan opnieuw aan licht bloot (dit kan een paar minuten duren afhankelijk van de lichtbron) 4. Doe alle lichten uit en zie het ontcijferde bericht uitgezonden door "het
Het Materiaal
geheime licht" In drukke publieke ruimten zoals metrostations, binnensportcomplexen of in liften kan een elektriciteitsuitval gemakkelijk paniek veroorzaken. Muurbekledingen die gemaakt zijn van aluminium oppervlakken die licht opslaan, geven voldoende licht om zulke extreme situaties te voorkomen en vormen een goede kostenbesparende alternatieve lichtbron als aanvulling op het bestaande verlichtingssysteem. Het oppervlak kan constant opgeladen worden waardoor het materiaal langdurig licht kan leveren. De lak is bestand tegen mechanische weerstand en is zeer vervormbaar zodat de platen gebogen of verwrongen kunnen worden. Het materiaal is zeer kras- en weersbestendig. Aluminium dat licht kan opslaan, is niet-ontvlambaar en is A1-gecertificeerd in overeenstemming met EN 13501 (niet brandbaar). Leverbare diktes variëren tussen 0,2 en 2 mm.
5
Materiaal
Multi-muurplaat met Aerogel
Bijnaam
Wondermuur
Ben jij cool genoeg? Opdracht: Weersta de thermische uitdaging!
Ongeveer 40% van het wereldwijde energieverbruik wordt verbruikt door gebouwen. Door de isolerende eigenschappen van de buitenkant van een gebouw te vergroten en door alternatieve energiebronnen en energiebesparende verlichting toe te passen, probeert de Europese bouwindustrie het ideaal van ‘zero-energie architectuur’ of zelfs gebouwen die een energieoverschot leveren te stimuleren. Er zijn tal van concepten voor het gebruik van daglicht in de moderne architectuur, waarbij het gebruik van transparante thermische isolatie essentieel is. Multi-muurplaten gevuld met aerogel zijn op dit gebied innovatief, omdat ze semitransparante gevels en daken met een hoge thermische isolatie, die een uitstekende stootvastheid hebben en licht zijn, mogelijk
Experiment
maken.
1. Giet heet water in twee kopjes 2. Bedek een kopje met wondermuur en een kopje met een glazen plaat of glazen schaal (liefst met een doorsnede die vergelijkbaar is met het voorbeeld) 3. Plaats ijsblokjes bovenop de wondermuur en de glazen plaat 4. Kijk wat er met de ijsblokjes in beide opstellingen gebeurt
Het Materiaal
Door hun hitte-isolerende eigenschappen zijn aerogels een perfect voorbeeld van nanotechnologie. Omdat 95% van hun volume uit holtes bestaat, hebben aerogels de laagste volumedichtheid van alle poreuze vaste stoffen en zijn ze als zodanig opgenomen in het Guinness Book of World Records. Omdat ze doorzichtig zijn, hebben ze de bijnaam “bevroren rook” gekregen. De keramische schuimstructuur is het beste thermische isolatiemateriaal ter wereld, aangezien het de drie manieren van hitteoverbrenging (convectie, geleiding en straling) nagenoeg uitschakelt. Indien de binnenruimte van de multi-muurplaten ermee wordt gevuld is silica-aerogel zeer geschikt om warmteverlies in gebouwen te beperken, en is het met name geschikt voor het vervangen van oude glazen gevels zonder dat dragende constructie hoeft te worden veranderd, aangezien het een licht materiaal is. Extra dikke buitenvensters, optimale UV-bescherming en doorzichtige spanten versterken de hoogwaardige esthetische aspecten. In tegenstelling tot dubbele beglazing, verliezen multi-muurplaten gevuld met aerogel geen van hun isolerende eigenschappen als ze worden geïnstalleerd als dakraam en bieden ze een constante Ug-waarde
≤ 1,0 W/m²K, wat vergelijkbaar is met de Ug-waarde
van driedubbele beglazing als het in een dak wordt geïnstalleerd. Het bijgesloten voorbeeld van Makrolon® Ambient is een kostenbesparend alternatief voor dubbele en driedubbele beglazing.
