Wetenschap - 20 november 2019

Zachte materialen breken als een waterstraal

tekst:
Nicole van ‘t Wout Hofland

Zachte materialen zoals gelatine en yoghurt kunnen, net zoals harde materialen zoals glas en beton, beschadigd raken en breken. Op microscopische schaal is dat vergelijkbaar met het uiteenvallen van waterstralen. Dat ontdekte promovendus Jan Maarten van Doorn van de leerstoelgroep Physical Chemistry and Soft Matter.

Als zachte materialen zoals yoghurt of gelatine beschadigd raken en breken, is dat op microscopische schaal vergelijkbaar met het uiteenvallen van waterstralen

© Shutterstock

‘Sterkte’ en ‘stijfheid’ zijn belangrijke eigenschappen van materialen. De sterkte van een materiaal bepaalt hoe makkelijk het breekt, terwijl stijfheid een maat is voor hoe hard of zacht een materiaal is. ‘Stijfheid is essentieel voor vaste materialen’, zegt Van Doorn. ‘Microstructuren bepalen de mate van stijfheid.’ Zo zitten atomen in veel vaste materialen dicht op elkaar gepakt in een stabiel raster. De deeltjes van zachte materialen zijn vaak anders georganiseerd, bijvoorbeeld in lange strengen.

Verzwakken
Voordat harde materialen breken, ontstaan er barsten waardoor het materiaal verzwakt. Dit is bijvoorbeeld te zien in beton. Van Doorn onderzocht of en hoe dit soort verzwakkingen optreden in zeer zachte materialen zoals yoghurt. Om dit te onderzoeken voerde hij computersimulaties uit op moleculaire strengen. Hierbij zette hij kracht op de streng door aan beide uiteinden te trekken. Uit de simulatie bleek dat de strengen van zachte materialen zich langzaam uitrekken en vervormen voordat ze breken. Dat gebeurt niet overal evenveel, maar vooral op specifieke plaatsen in de streng, waardoor dikkere en dunnere delen ontstaan. ‘Het breken van een zacht materiaal lijkt een beetje op het “breken” van een waterstraal’, zegt van Doorn. ‘Daarbij ontstaan ook dikke en dunnere delen van de straal, waarvan druppels uiteindelijk afbreken.’

Toepassingen
De resultaten zijn een eerste stap naar een nauwkeuriger bepaling van de levensduur van zachte materialen, maar kunnen ook bijdragen aan andere vakgebieden, zoals de levensmiddelentechnologie. Het fenomeen synerese, waarbij een plasje water ontstaat op yoghurt of een andere gel, is bijvoorbeeld een direct gevolg van verzwakking. ‘Nu we beter begrijpen hoe beschadigingen in zachte materialen ontstaan, kunnen wetenschappers toewerken naar een oplossing voor synerese’, zegt Van Doorn.

Zelf-aanpasbare materialen
Daarnaast kunnen de resultaten inzichten geven op biologisch gebied, omdat veel biologische systemen uit zachte materialen bestaan. ‘We zouden algemene eigenschappen van biologische systemen kunnen bepalen aan de hand van de modellen’, zegt van Doorn. Ook hoopt hij dat zijn onderzoek ingezet kan worden bij de ontwikkeling van zelf-aanpasbare materialen. Al is dat een verre toekomstdroom, geeft hij toe.


Re:ageer