Japans onderzoek naar zelfhelende materialen

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

Samenvatting
Japan is actief op gebied van zelfhelende materialen, waarbij steeds meer gekeken wordt naar zelfherstellende mechanismen uit de natuur. Hieronder volgen voorbeelden van projecten bij Japanse universiteiten en instituten.

Redox-stimulus
Prof. Akira Harada van Osaka University deed eind vorig jaar een belangrijke ontdekking. Hij creëerde levende organismen met redox-stimuli reactieve en zelfhelende eigenschappen. Redoxreacties, elektronenuitwisseling tussen moleculen of ionen, zijn bekend van batterijen, maar vormen ook de basis voor de opslag en omzetting van energie in biologische processen en organismen. Harada ontwikkelde een systeem met ontvangende (host) en bezoekende (guest) polymeren. De ontvangende polymeer is bewerkt met ferroceen, een organometaal verbinding die ijzer bevat, de bezoekende polymeer is bewerkt met cyclodextrine. Door de redoxpotentiaal in ferroceen te variëren, slaagde Harada erin om de moleculaire toestand te schakelen tussen neutraal en positief/negatief ion, waarmee ook de substantie schakelt van geleiachtige substantie naar vaste stof.
Het project is een van de successen van het lab van Harada, de Supramolecular Science group, van het Department of Macromolecular Science, Osaka University (1), dat zich richt op kunstmatige systemen voor zelfhelende en zelfreproducerende materialen. Daarbij onderzoekt hij vooral de interactie tussen moleculen en hoe deze interactie te manipuleren is. Het kan daarbij gaan om duurzame plastic materialen, maar ook om medische of biobased materialen.

Hereniging van een in twee gedeelde hydrogel （Bron: Nature Communications, oktober, 2011）

Licht als stimulus
Nationaal onderzoeksinstituut AIST (2) heeft een materiaal ontwikkeld dat kan schakelen tussen gelei en vaste stof met behulp van inkomend licht. Met behulp van foto-isomerie kunnen krasjes in lichtgevoelig geleiachtig materiaal in korte tijd worden gerepareerd. Het mechanisme heeft geen externe materialen nodig, en vindt plaats onder normale condities. De onderzoekers verwachten dan ook toepassingen voor op de markt gangbare gels, zoals cosmetica en industriële verdikkingsmiddelen. De resultaten zijn in mei 2012 gepubliceerd in het Amerikaanse tijdschrift Langmuir (3), en tegelijkertijd gepresenteerd tijdens een evenement van de Japanse Society of Polymer Science in Yokohama.
Onder leiding van Masaru Yoshida richtten de onderzoekers van de Smart Materials Group van het Nanosystem Research Institute van AIST zich op een geleiachtige composiet bestaande uit micropartikel en vloeibaar kristal. Een van azobenzeen afgeleid fotoreactief materiaal repareert schade aan het oppervlak van een materiaal door middel van cis-trans-(foto-)isomerie. Dit principe verwijst naar twee moleculaire structuren, waarbij de moleculen naast elkaar (cis) of tegenover elkaar (trans) liggen. Onder ultraviolet licht (365 nm) schakelt de structuur van trans naar cis en verandert de vaste stof in een gelei. Onder zichtbaar licht (435 nm) gebeurt het omgekeerde. Proeven lieten zien dat krasjes van twee millimeter diep verdwenen na tien seconden onder ultraviolet licht. De temperatuur was met 32 graden iets onder de fase transitie temperatuur van het vloeibaar kristal van 35,5 graden Celsius. Het materiaal verkleurde waar het was belicht, maar had na een dag weer de oorspronkelijke kleur terug.
De onderzoekers willen verder onderzoeken of de schakeling tussen cis en trans ook met andere golflengtes en ander materiaal dan azobenzeen derivaten mogelijk is. De onderzoekers willen uiteindelijke samenwerken met bedrijven die nieuwe materialen, gels en coatings ontwikkelen.

Helingproces (Bron: AIST)
(a) Voor lichtinval (gel); (b) na inval ultraviolet licht (vast) ; (c) na inval zichtbaar licht (gel)

Heling zonder stimulus
Hideyuki Otsuka van Kyushu University (4) richt zich op een methode die geen stimulus nodig heeft om het zelfhelende mechanisme in gang te zetten. Hij maakt daarbij gebruik van DABBF, kort voor diarylbibenzofuranon, een polymeer oplossing waarvan de radicalen voortdurend afbreken en weer opbouwen. Beschadigd materiaal dat na vijf dagen weer aan elkaar werd gezet was na een dag weer zo sterk als voorheen. Otsuka’s onderzoek, dat deels gefinancierd wordt door agentschap voor fundamenteel onderzoek JSPS (5), kreeg vorige maand de Polymer Science Award van de Japan Society of Polymer Science (6). Het onderzoek heeft een prominente plaats in de overheidsplannen op gebied van Green Innovation, geformuleerd door de Council for Science and Technology Policy (CSTP, 7).
Otsuka voorziet eerste toepassingen in gebieden waar een externe stimulus moeilijk is, zoals in de ruimte en bij medische toepassingen zoals kunstmatige organen. Een punt van aandacht voor dat laatste is de veiligheid voor en acceptatie door het lichaam: de huidige samenstelling van de oplossing is organisch.