Wat bomen ons leren over duurzame productie van materialen
Bomen zijn uitstekende leermeesters als het gaat om het maken van materialen voor dragende constructies met zo min mogelijk grondstoffen en energie. Een van hun geheimen? Wanneer een boom groeit, past de richting van de houtnerf zich aan aan de belasting die dat deel van de boom gaat dragen. Met andere woorden, de boom kan kiezen hoeveel anisotropie hij nodig heeft. Promovenda Aerospace Structures and Materials, Caroline Houriet, onderzocht verschillende benaderingen om deze slimme manier van het gebruiken van anisotropie toe te passen op door mensen gemaakte Liquid Crystal Polymers. 3D-printen gaf haar de mogelijkheid het materiaal te vormen in alle mogelijke soorten gereedschap of onderdelen en om de oriëntatie van de moleculen te beheersen tijdens productie. Haar doel: het beste halen uit beperkte middelen door te leren van de natuur. Caroline Houriet verdedigde haar proefschrift op 11 november 2024, cum laude.
Natuurlijke materialen zoals hout zijn opvallend goed ontworpen voor het doel van het organisme waartoe ze behoren. De 'productie' ervan gebeurt met minimale energie en grondstoffen. Denk maar aan bomen. Ze gebruiken alleen water, licht en voedingsstoffen om structuren te vormen die meer dan 100 meter hoog kunnen worden. In de loop van de evolutie hebben bomen verschillende manieren gevonden om afbrekende takken te voorkomen. Eén daarvan is een strategie om de zwakste punten te versterken door de oriëntatie van hun houtvezels aan te passen. Langs de stam liggen de vezels meestal in rechte lijnen om druk en buiging te weerstaan. Maar waar de stam vertakt en de belastingen complex en willekeurig zijn, zijn de houtvezels gerangschikt in in elkaar grijpende patronen om allerlei soorten belastingen te weerstaan. Menselijke materialen kunnen dat normaal gesproken niet. Ze zijn ofwel 'isotroop', zoals staal, waarbij geen enkele richting sterker is dan een andere (zoals de boomvork), of 'anisotroop' zoals vezelversterkte composieten, waarbij de richting van de rechte vezel de sterkste is (zoals de boomstam).
In haar proefschrift bestudeerde Caroline Houriet, zojuist gepromoveerd in Aerospace Structures and Materials, hoe deze aanpassingen van anisotropie ook toegepast kunnen worden op door mensen gemaakte materialen, in haar geval Liquid Crystal Polymers. Door de LCP's te 3D-printen kon ze het materiaal de gewenste structuur geven en de moleculaire oriëntatie aanpassen aan de toekomstige belasting. Houriet gebruikte twee manieren om de anisotropie van LCP te controleren. Ten eerste door de microstructuur op maat te maken: door de printparameters te veranderen, liet ze zien dat je de moleculaire oriëntatie van het polymeer kon beïnvloeden, wat leidde tot variaties in de stijfheid. Ze stelde ook een methode voor om deze eigenschap te integreren in het 3D-printen van complexe anisotrope patronen, zoals wervelingen.
En ten tweede bestudeerde ze de macrostructuren. Houriet: “Bomen zijn geweldige docenten. Ze gebruiken isotropie waar dat echt nodig is, bijvoorbeeld op kruispunten tussen takken, en anisotropie waar dat mogelijk is. Dus met de vormvrijheid van LCP en 3D-printing probeerden we deze vereenvoudigde golvende patronen te maken en onderzochten we of ze de taaiheid konden verbeteren, in elkaar grijpen en de anisotropie plaatselijk konden verminderen. De resultaten zijn veelbelovend: vergeleken met helemaal geen patroon, verhogen ze de eerste bezwijkbelasting met 88% in het buigen van gebogen balken.”
Draagconstructies produceren met zo weinig mogelijk energie en grondstoffen, zonder dat ze aan sterkte verliezen en aan het einde van hun levensduur gerecycled kunnen worden, is een noodzakelijk doel voor de duurzaamheid van sectoren waar gewicht er echt toe doet, zoals de luchtvaart of de ruimtevaart.
Houriet was de eerste promovendus van het Shaping Matter Lab team, onder leiding van Kunal Masania.