Met slimme bouwstenen kun je de krachten die je uitoefent op polymeren zichtbaar maken. ‘De polymeermechanochemie is echt in opkomst.’

‘Mechanochemie is al een heel oud vakgebied’, vertelt Rint Sijbesma, hoogleraar supramolecular polymer chemistry aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Het is onderverdeeld in twee takken; de een focust op synthese door middel van het malen van vaste stoffen, het andere richt zich op polymeren.’

Sijbesma is zelf actief in die laatste tak. ‘De lange ketens waaruit polymeren bestaan, kun je gebruiken als handvat om kracht uit te oefenen op de keten zelf’, legt hij uit. ‘In de tweede helft van de vorige eeuw is er ook al wat onderzoek gedaan naar de oorzaak van het breken van een keten onder mechanische krachten, maar daarna was er weinig aandacht voor.’

Perfect zicht

Sinds een jaar of tien is er een opleving in de polymeermechanochemie. Sijbesma: ‘Je bouwt bepaalde bouwstenen in polymeerketens in, zogenoemde mechanoforen, die bijvoorbeeld van kleur veranderen als je er kracht op uitoefent. Zo kun je visualiseren waar de zwakke schakels liggen in een keten’.

Het werkt als volgt: als je aan de polymeerketen trekt, zet je kracht op bindingen in de keten. Een mechanofoor in zo’n keten heeft zwakkere bindingen dan het polymeer zelf, waardoor die als eerste breken. ‘Neem een gespannen ring, die als hij opengaat de kleur van die bouwsteen verandert’, geeft Sijbesma als voorbeeld. ‘Daarmee kun je perfect zien wáár je materiaal het meest onder spanning staat.’

‘In onze eigen groep ontwikkelden we een methode waarbij je geen kleurverandering hebt, maar waarbij de mechanoforen licht uitzenden wanneer ze breken’, vervolgt Sijbesma. ‘Deze methode is zeer gevoelig, want niet alleen kun je zo zien waar de krachten op het polymeer optreden, maar ook wanneer.’

Dioxetaan is de mechanofoor die Sijbesma en collega’s voor dit doeleinde gebruiken. ‘Dioxetaan is een gespannen vierring met twee zuurstofatomen. Bij het openbreken krijg je twee carbonylgroepen, zoals in een keton, die zich dan in een aangeslagen toestand bevinden. Wanneer ze terugvallen, zenden ze licht uit.’

Als je een stuk rubber met die bouwstenen zou scheuren, zie je allemaal lichtjes over de hele breuk. Maak je een materiaal met een ander, sterker netwerk van polymeren, dan kun je met deze bouwsteen de redenen achter die versterking ontdekken.

Het vakgebied krijgt volgens Sijbesma inmiddels meer aandacht in Nederland. Sijbesma: ‘Joris Sprakel (hoogleraar fysische chemie en zachte materie, red.) van de Wageningen Universiteit bijvoorbeeld ontwikkelde een fantastisch systeem waarmee je krachten in levende cellen kunt bekijken. In planten kun je door lichtgevende mechanoforen te gebruiken precies zien hoe ze groeien.’

Hogere gevoeligheid

In de toekomst wil Sijbesma de focus leggen op het verhogen van de gevoeligheid. ‘Dat doen we onder andere door een manier te verzinnen waardoor breuken meer fotonen vrijgeven. Dat maakt het makkelijker om kleinere breuken te visualiseren’, legt Sijbesma uit.

De groep van Sijbesma wil hiervoor een mechanisch geschakelde katalysator inzetten. ‘Die katalysator bouwen we in een polymeerketen in en deze activeert pas als de keten breekt.’ Het zet dan een stabiel molecuul om in een labiele versie die licht uitzendt als het uit elkaar valt. ‘We hopen op tientallen tot duizenden fotonen per breuk.’