Metaalbewerkers stellen al meer dan drieduizend jaar de hardheid van ijzerlegeringen in door te spelen met de temperatuur. Maar in de kunststoffenwereld zoekt men tot nu toe liever bij elke toepassing een polymeer dat zich er optimaal voor leent qua fysisch-chemische eigenschappen. Dat gaat prima zolang je die ideale kunststof kant-en-klaar bij de fabriek kunt bestellen, maar het wordt lastig wanneer je zelf je reserve-onderdelen wilt maken met een 3D-printer. Zeker wanneer je midden op zee zit, of in een ruimteschip, en maar een beperkte collectie kunststoffilamenten bij je hebt. 

In Science presenteren Nicholas Boynton, Stuart Rowan en collega’s van de University of Chicago nu een prototype van wat ze een ‛pluripotent’ polymeer noemen. Hardheid en elasticiteit laten zich instellen via de temperatuur waarbij je de componenten met elkaar laat reageren, ergens tussen de 60 en 120 °C. Bij kamertemperatuur houdt het die eigenschappen minstens een maand vast. Maar verhit je het tot 140 °C, dan valt het bouwwerk uit elkaar en kun je de onderdelen een aantal keren hergebruiken. 

Temperen 

Het draait allemaal rond een klassieke thia-Michaeladditie, die via een C-S binding twee ingrediënten aan elkaar koppelt. Het ene is een benzalcyanoacetaat met twee reactieve plekken, het andere een tetrathiol met vier armen; samen vormen ze dus een netwerk. Door tevens een dithiol toe te voegen kun je de ketenlengte tussen de knooppunten vergroten. Zo’n Michaeladditie heeft een aparte dynamiek, zeker als je geen katalysator toevoegt. Bij stijgende temperatuur begint het netwerk zich langzaam te vormen, maar bij verdere temperatuurverhoging verschuift het evenwicht en vallen de bindingen steeds makkelijker weer uit elkaar. De grenzen van dat temperatuurtraject kun je instellen door de moleculaire architectuur slim te kiezen. 

Koel je na een etmaal sudderen het resultaat snel af tot beneden de starttemperatuur (‛temperen’, noemen metallurgen dat), dan bevriest de structuur als het ware. Hoe dat precies komt is nog niet helemaal duidelijk; de auteurs verwachtten dat het een combinatie van kinetiek en sterische hindering zou zijn, maar AFM-microscoopopnames wijzen eerder in de richting van dynamic reaction-induced phase separation tussen sterk en minder sterk uitgeharde gebiedjes. Het lijkt in elk geval te werken. Het bij 60 °C getemperde materiaal is bij kamertemperatuur hard en bros, terwijl precies dezelfde samenstelling bij 110 °C iets oplevert dat kan dienen als lijm. Het lukt zelfs om in één proefstrookje verschillende zones te creëren met uiteenlopende eigenschappen, door de ene kant warmer te stoken dan de andere. 

Vitrimeren 

Polymeerpionier Piet Lemstra, emeritus hoogleraar aan de TU Eindhoven en nog immer actief als consultant en als commentator op LinkedIn, is niet overdreven onder de indruk. ‛Ik vind het verhaal een beetje te veel opgeblazen, maar je moet wat om aandacht te trekken’, oordeelt hij. Het idee om zulke materialen te gebruiken in resource-scarce areas, zoals een ruimteschip, noemt hij wat ver gezocht. En hij memoreert dat het idee van ‛dynamische’ polymeren bepaald niet origineel is. ‛Mijn TUE-collega Bert Meijer heeft veel werk verricht door covalente bindingen in polymeerketens deels te vervangen door waterstofbruggen. Afhankelijk van de temperatuur lieten die weer los, waardoor je bij verwerking c.q. vormgeving kon werken met een laagviskeus systeem. Bij afkoeling werd het weer een polymeer met de gewenste eigenschappen. Zo kon je de ketenlengte en daarmee de fysische eigenschappen instellen.’ 

Een recentere voorbeeld zijn de zogeheten vitrimeren van de Franse onderzoeker Ludvik Leibler; thermohardende harsen waarin de crosslinks zich dynamisch gedragen zodat het materiaal bij verhoogde temperatuur vervormbaar en dus recycleerbaar wordt. De Gentse hoogleraar Filip Du Prez probeert dat concept momenteel verder te verfijnen om bijvoorbeeld herbruikbare windturbinebladen te kunnen maken. Maar voor zover Lemstra weet, zijn zulke systemen tot nu toe nergens een baanbrekend commercieel succes geworden. ‛Veel te ingewikkeld.’

Paper: Nicholas Boynton, et al., Toward pluripotent materials through tempering of dynamic covalent polymer networks, Science (2024)

Perspective: Haley McAllister, Julia Karlow, Plastic that lose their temper on demand, Science (2024)