INNOVATIEVE MATERIALEN 2024 1

KVK INNOVATIE TOP 100 2023

MINING THE ATMOSPHERE: BOUWEN MET CO2

SANERING VAN VERONTREINIGDE HOUTCONSTRUCTIES

SLIMME COATING VISUALISEERT ONZICHTBARE GEBREKEN CONSTRUCTIES

AI-TOOL ONTDEKT 'METAMATERIALEN' MET ONGEWONE EIGENSCHAPPEN

Wij leveren complete installaties voor ontstoffing, luchtreiniging en pneumatisch transport

Technieken voor o.a.:

- Ontstoffing van productieruimtes (MAC)

- Reduceren van geuremissies (NER)

- Reduceren van stofemissies (NER)

Componenten die wij o.a. kunnen leveren:

- Natfilters & Droogfilters

- Cyclonen

- Gaswassers

- Topsteen- / Frogreinigers

- Naverbranders

Projecten kunnen turn-key worden uitgevoerd

Wij garanderen de emissie & grenswaarden

Engineering, bouw en onderhoud in eigen beheer

Mesys Industrial Air Systems BV

Molenstraat 27, 6914AC Herwen

+31 (0) 316 248744

Frogreiniger

www.mesys.nl

Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift over ontwikkelingen op het gebied van duurzame, innovatieve materialen en/of de toepassing daarvan in bijzondere constructies.

Uitgeverij

SJP Uitgevers

Kalkhaven 53

4201 BA Gorinchem

tel. (0183) 66 08 08 e­mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

Hoofdredactie:

Gerard van Nifterik

Advertenties

Drs. Petra Schoonebeek e­mail: ps@innovatievematerialen.nl

Een digitaal abonnement in 2024 (6 uitgaven) kost € 47,80 (excl. BTW)

KIVI­leden € 35,90­ (excl. BTW)

Studenten € 25,­ (excl. BTW)

Een papieren abonnement in 2024 kost € 93,25 (excl. BTW)

Zie ook: www.innovatievematerialen.nl

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en of openbaar worden door middel van herdruk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Innovatieve Materialen platform:

Dr. ir. Fred Veer, prof. ir. Rob Nijsse (Glass & Transparency Research Group, TU Delft), prof. Wim Poelman, dr. Ton Hurkmans (MaterialDesign), prof.dr.ir. Jos Brouwers, (Faculteit Bouwkunde, Leerstoel Bouwmaterialen, TU Eindhoven), prof.dr.ir. Jilt Sietsma, (4TU.HTM/ Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen, 3mE); Guido Verhoeven (Bond voor Materialenkennis/ SIM Flanders, Prof. dr. ir. Christian Louter

20 KVK Innovatie Top 100 2023

De Kamer van Koophandel (KVK) presenteert elk jaar de KVK Innovatie Top 100 om te laten zien waartoe het Nederlandse mkb in staat is. De nieuwe ranglijst werd eind 2023 bekendgemaakt en bevatte ook dit jaar een serieus aantal innovaties op het gebied van materialen en materiaaltoepassingen.

24 Plantaardige drukinkt

Het Onderzoeksinstituut voor Textielchemie en Textielfysica van de Universiteit van Innsbruck in Dornbirn doet al meer dan 25 jaar onderzoek naar natuurlijke kleurstoffen.

26 Mining the atmosphere: bouwen met CO2

De bouw als CO2­opslag? Onderzoekers van het Beton & Asfaltlab van het Zwitserse materiaalinstituut Empa werken eraan. Door biochar in beton te verwerken onderzoeken ze de mogelijkheden van CO2­neutraal of zelfs CO2 ­negatief beton. Om dat voor elkaar te krijgen verwerken ze de biochar tot pellets en gebruiken die om conventionele aggregaten te vervangen.

28 Sanering van verontreinigde houtconstructies

In Duitsland zijn ongeveer drie miljoen gebouwen vervuild met de giftige houtverduurzamingsmiddelen lindaan en pentachloorfenol (PCP). In het CycloPlasma­project ontwikkelen onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Bouwfysica IBP een nieuw type proces om deze decennia­oude verontreinigingen te verwijderen ­ zowel in de lucht als in vervuilde houten constructies.

30 Bioreceptieve gevels voor stedelijke omgevingen

Respyre presenteerde afgelopen november een duurzame gevelbekleding: VertiScape. Het gaat om gevelplaten van duurzaam circulair beton met levend mos. Bovendien wordt gedurende de levensduur van de gevel CO2 in het beton vastgelegd als kalk, waardoor het een CO2­negatief materiaal wordt.

32 Nieuwe methode om biokoolstof te produceren

TNO heeft een proces ontwikkeld ­ EnerChar ­ om ‘schone’ (of ‘groene’) koolstof te maken. Het proces is gebaseerd op vergassing van biomassa (houtresten, maar ook reststromen uit de voedingsindustrie).

34 Slimme coating visualiseert onzichtbare gebreken constructies

Onderzoekers van de TU Delft werken aan een innovatief kosteneffectief coatingmateriaal dat van kleur verandert als een vroegtijdig waarschuwingssysteem, en zo ruim van tevoren kwetsbaarheden zichtbaar maakt.

38 AI-tool ontdekt 'metamaterialen' met ongewone eigenschappen

Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een AI­tool ontwikkeld die niet alleen metamaterialen kan ontdekken, maar ze ook maakbaar en duurzaam ontwerpt. Dit biedt de mogelijkheid producten met ongekende eigenschappen te maken. Ze publiceerden hun bevindingen in Advanced Materials.

Omslag: Mining the atmosphere: bouwen met CO2 (pagina 26)

Computermodel ontdekt honderden nieuwe keramische supermaterialen

Een onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van Edmund T. Pratt Jr. School van de Duke University heeft een methode ontwikkeld om snel een nieuwe klasse materialen te ontwikkelen die zo hitte­ en elektronisch bestendig zijn dat ze apparaten mogelijk maken die bij extreme temperaturen kunnen werken. Zulke materialen zijn harder dan staal en stabiel in chemisch corrosieve omgevingen en kunnen aan de basis staan van nieuwe slijtvaste en corrosiebestendige coatings, thermo­elektrische systemen, batterijen, katalysatoren en stralingsbestendige apparaten.

De samenstelling van deze materialen ­ keramiek gemaakt met overgangsmetalen carbonitriden of boriden ­ werd ontdekt via een nieuwe computermethode Disordered Enthalpy­Entropy Descriptor (DEED). In de eerste demonstratie van het model voorspelde het programma de synthetiseerbaarheid van niet minder dan 900 nieuwe formuleringen van hoogwaardige materialen. Daarvan zijn

er vervolgens zeventien met succes in laboratoria geproduceerd en getest. De universiteit beschikt over de zogenaamde Duke Automatic­FLOW for Materials Database (AFLOW) ­ een enorm reservoir aan gegevens over materiaaleigenschappen die zijn verbonden

met online tools voor materiaaloptimalisatie. Dankzij deze schat aan informatie kunnen algoritmen de eigenschappen van onontdekte mengsels nauwkeurig voorspellen zonder dat ze hoeven te proberen de complexiteit van de atomaire dynamiek te simuleren of ze in het laboratorium te maken.

De betreffende onderzoeksgroep onder leiding van prof. Stefano Curtarolo, hoogleraar Mechanical Engineering and Materials Science aan Duke, heeft de afgelopen jaren gewerkt aan het ontwikkelen van voorspellende model voor stabiele ‘hoge entropie’­materialen. Naast het voorspellen van nieuwe recepten voor stabiele ongeordende keramiek, helpt DEED ook bij de verdere analyse van de materiaaleigenschappen. Om de optimale keramiek voor verschillende toepassingen te vinden, zullen onderzoekers deze berekeningen moeten verfijnen en fysiek testen in laboratoria. DEED is specifiek afgestemd op een productiemethode die bekend staat als

hot­pressed sintering. Daarbij wordt poeder van de uitgangsstoffen onder vacuüm verhit tot 2200 °C, terwijl enkele uren druk wordt uitgeoefend. Tussen alle voorbereidings­, reactie­ en afkoeltijden door duurt het hele proces ruim acht uur. Het nieuwe keramiek heeft een metaalachtig uiterlijk en ziet er donkergrijs of zwart uit en lijkt enigszins op roestvast staal en heeft een vergelijkbare dichtheid Het materiaal is net zo hard en bros als conventioneel keramiek.

Pratt verwacht dat ook andere onderzoekers in de toekomst DEED zullen gaan gebruiken om de eigenschappen van nieuwe keramische materialen voor verschillende toepassingen te synthetiseren en te testen. Gezien het enorme scala aan potentiële eigenschappen en toepassingen dat daarmee binnen handbereik komt, geloven ze dat het slechts een kwestie van tijd is voordat sommige ervan ook werkelijk in commerciële productie gaan.

De resultaten van het onderzoek werden begin januari gepubliceerd in Nature onder de titel ‘Disordered enthalpy-entropy descriptor for high-entropy ceramics discovery’. Het is online>

Meer bij Pratt/Duke University>

Koolstofnanovezels uit CO 2

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory (BNL) van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Columbia University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om CO2 om te zetten in koolstofnanovezels (carbon nano fibres, CNF). Koolstofnanovezels zijn veelbelovende materialen op veel gebieden, zoals fotokatalytisch, nanocomposieten, energie­apparaten, filtratie, sensoren, weefselmanipulatie en hoogwaardige composieten. Met koolstofnanobuisjes versterkt polymeer (Carbon nanotube reinforced polymer, CNRP) is bijvoorbeeld meerdere malen sterker en taaier dan typische CFRP's en is bijvoorbeeld interessant als hightech constructiemateriaal voor gevechtsvliegtuigen. Ook voor de versterking van bouwmaterialen lijken CNF’s interessant. De methode die de wetenschappers ontwikkelden was een tandem van elektrochemische en thermochemische reacties. In de eerste stap wordt koolstofmonoxide (CO) geproduceerd uit CO₂ met behulp van een elektrokatalysator op basis van palladium. Deze elektrokatalysator splitst zowel CO₂ als water (H2O) in respectievelijk CO en waterstofgas (H2).

De tweede stap wordt een thermokatalysator op basis van een ijzer­kobalt legering gebruikt, gevolgd door een thermochemische proces dat verloopt bij temperaturen tussen 370 ­ 450 °C en omgevingsdruk. Door deze twee processen te combineren, kan koolstof op een

efficiënte manier worden omgezet in koolstofnanovezels. Het vezelmateriaal kan worden gebruikt om bouwmaterialen zoals cement te versterken. Dit zou de koolstof voor ten minste 50 jaar in beton kunnen opsluiten, wat gunstig is voor het verminderen van de CO₂­uitstoot.

Volgens de onderzoekers maakt vooral de relatief lage temperatuur en de mogelijkheid tot recyclen de methode interessant voor grootschalige toepas­

singen. Bovendien levert de methode ook nog waterstof op.

Het onderzoek werd op 11 januari gepubliceerd door Catalysis onder de titel ‘CO2 fixation into carbon nanofibres using electrochemical­thermochemical tandem catalysis’. (https://doi. org/10.1038/s41929­023­01085­1)

Meer bij het Brookhaven National Laboratory>

Het

Dobbers van PHA

In afvalwater zitten vaak nog suikers, vetzuren en zetmeel die door bacteriën kunnen worden omgezet in PHA­bioplastic. Het Interreg project WOW! heeft al enkele jaren geleden laten zien dat het mogelijk is om PHA te maken op basis van rioolwater; nu lag de focus op reststromen van voedselverwerkende industrieën. Om de mogelijkheden van het materiaal te laten zien zijn er prototypes gemaakt van producten waarbij de snelle biologische afbreekbaarheid van PHA een toegevoegde waarde heeft. Bijvoorbeeld een visdobber en een spatbord voor MTB­fietsen. Maar hoe van een reststroom een product te maken? MNEXT publiceerde er eind 2023 een whitepaper over.

MNEXT is een Centre of Expertise, een publiek­privaat samenwerkingsverband van kennisinstellingen, het bedrijfsleven en overheden. Met, in dit geval, de focus op de materialen­ en energietransitie. MNEXT is een samenwerking tussen Avans Hogeschool en HZ University of Applied Sciences.

In rioolwater zitten waardevolle stoffen die kunnen worden gebruikt als grondstof voor biobased producten. Eén van deze mogelijkheden is de productie van PHA. Hiervoor wordt het primaire slib van een rioolwaterzuiveringsinstallatie gebruikt. In 2022 publiceerde Interreg een technisch rapport over het maken van PHA op basis van rioolwater. Het daarin beschreven proces bestaat uit vier hoofdstappen. Het begint met verzuring van primair slib tot een VFA­rijke stroom (Volatile Fatty Acids).

Wat is PHA?

Polyhydroxyalkanoaten (PHA) zijn polyesters die in de natuur door bacteriën worden geproduceerd. PHA dient als energiebron en koolstofopslag voor deze microorganismen. Het materiaal bestaat uit een combinatie van verschillende monomeren. Omdat er meer dan 150 verschillende monomeren zijn, is er een breed scala aan verschillende PHA's met verschillende eigenschappen.

Daarna worden er bacteriën toegevoegd die van de vetzuren PHA maken dat vervolgens met behulp van een oplosmiddel uit de bacterie­massa wordt geëxtraheerd. Ten slotte wordt de PHA gemengd en verwerkt tot een product zoals plantenpotten of landbouwfolie.

De extractie van PHA uit de PHA­rijke bacteriële biomassa werd gedaan door het intracellulaire PHA op te lossen met behulp van een oplosmiddel. Dit wordt gevolgd door scheiding van het PHA en de geëxtraheerde resterende biomassa en isolatie van PHA uit het oplosmiddel. Avans Hogeschool ontwikkelde voor de extractie een methode waarbij dimethylcarbonaat (DMC) als oplosmiddel wordt gebruikt. DMC wordt beschouwd als een groen oplosmiddel vergeleken met de veelgebruikte gehalogeneerde oplosmiddelen zoals dichloormethaan. Het resultaat was een PHA­film met een zuiverheid van ongeveer 91 procent. Het WOW project toonde aan het goed mogelijk is om op pilotschaal PHA uit primair slib te produceren.

Meer recent onderzocht WOW! Ook de mogelijkheden van PHA uit industriële reststromen.

Het eind 2023 gepubliceerde whitepaper biedt volgens de betrokken onderzoekers waardevolle inzichten in de productie, toepassingen, mate van circulariteit en logistieke uitdagingen van PHA afkomstig uit de reststromen van een bierbrouwerij en vruchtensapfabrikant. De verschillende reststromen resulteerden uiteindelijk in PHA met wisselende eigenschappen. PHA afkomstig uit de brouwerij heeft een flexibele textuur, terwijl Fruit­ afgeleide PHA is veel brozer.

De whitepaper is online>

De WOW! Webpagina met rapportages en factsheets HIER te vinden>

Introductie van de whitepaper bij MNEXT>

PFAS ‘forever chemicaliën’ omzetten in waardevolle verbindingen

PFAS staan bekend als ‘forever chemicaliën’, en zijn berucht omdat ze in het milieu en in ons lichaam blijven bestaan. Chemici van de Osaka Metropolitan University denken een einde te kunnen maken aan het ‘forever’ voortbestaan van PFAS met een eenvoudige maar innovatieve techniek waarmee de schadelijke stoffen kunnen worden omgezet in waardevolle verbindingen.

Poly­ en perfluoralkylstoffen (PFAS) is een verzamelnaam voor meer dan 6000 stoffen waarin onder andere een combinatie van fluorverbindingen en alkylgroepen voorkomt. PFAS in polymere vorm bevindt zich in alledaagse producten zoals kleding, fastfood­verpakkingen en anti­aanbakpannen en meer. Van een aantal soorten PFAS is bekend dat ze ongewenste eigenschappen hebben. Ze breken niet of nauwelijks af in het milieu, zijn toxisch, verspreiden zich makkelijk in het milieu en/of hopen zich op in het menselijk lichaam, in dieren en planten.

Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Masato Ohashi en assistent­professor Kenichi Michigami van de Graduate School of Science aan de Osaka Metropolitan University heeft met succes liganden, zogenaamde fluor N-heterocyclisch carbeen (NHC's), gesynthetiseerd uit perfluoralkenen, een PFAS­type.

De synthese van gefluoreerde NHC's werd eenvoudigweg bereikt door twee fluoratomen uit 1,2­difluoralkeenderiva­

De omzetting werd bereikt door eenvoudigweg twee fluoratomen uit 1,2-difluoralkeenderivaten te verwijderen (Illustratie OMU)

ten te verwijderen. Daardoor wordt het NHC­ligand stabiel zonder de sterische eigenschappen ervan substantieel te veranderen.

Volgens de onderzoekers zorgt de methode voor een transformatie van schadelijke PFAS in functionele NHC’s. Deze gefluoreerde NHC’s zijn interessant voor verschillende toepassingsgebieden, zoals fluorchemie, organometaalchemie, katalysechemie en materiaalkunde.

De resultaten van het werden gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society onder de title ‘N­Heterocyclic Carbenes with Polyfluorinated Groups at the 4­ and 5­Positions from [3 + 2] Cycloadditions between Formamidinates and cis­1,2­Difluoroalkene Derivatives’

DOI: 10.1021/jacs.3c06331

Osaka Metropolitan University>

Metaalschuim lassen zonder de belletjes te laten smelten

Composiet metaalschuim (composite metal foam, CMF) is schuim dat bestaat uit holle, metalen bolletjes van materialen zoals roestvast staal of titaniumingebed in een metalen matrix van staal, titanium, aluminium of andere metaallegeringen. Het resulterende materiaal is zowel lichtgewicht als opmerkelijk sterk, met potentiële toepassingen variërend van vliegtuigvleugels tot voertuigbepantsering en kogelvrije vesten. Bovendien is CMF beter in het isoleren tegen hoge temperaturen dan conventionele metalen en legeringen, zoals staal. De combinatie van gewicht, sterkte en thermische isolatie maakt dat CMF ook veelbelovend is voor gebruik bij de opslag en het transport van nucleair materiaal, gevaarlijke materialen, explosieven en andere hittegevoelige materialen. Interessante materialen dus, maar met een vervelend nadeel: ze kunnen moeilijk worden gelast. Traditionele smeltlasmethoden zijn niet geschikt voor metaalschuimen vanwege hun poreuze structuur, die tijdens het lassen de neiging heeft gevuld te worden, waardoor de prestaties in gevaar komen. Onderzoekers van de North Carolina State University (NSCU) hebben een lastechniek ontwikkeld die kan worden gebruikt om componenten van CMF met elkaar te lassen zonder dat de eigenschappen van het materiaal worden aangetast. De techniek die ze toepassen is een vorm van inductielassen en waarbij gebruik wordt gemaakt van een induc­

De afbeelding toont twee stukken metaalschuim die aan elkaar worden gelast met behulp van een inductielasapparaat. Op enkele centimeters afstand van de plaats van de las (die witgloeiend is) is het metaalschuim koel genoeg om met de blote hand aan te raken (Illustratie: NSCU)

tiespoel om een elektromagnetisch veld aan te leggen dat het metaal verwarmt voor het lassen. Omdat CMF slechts 30 ­ 35 procent uit metaal bestaat, kan het elektromagnetische veld diep in het materiaal doordringen, waardoor een goede las mogelijk wordt. Hierdoor kan inductielassen het beoogde gebied voor het verbinden van twee stukken CMF opwarmen, maar wordt voorkomen dat de warmte zich vanaf de plaats van de verbinding verspreidt. Dat helpt de eigenschappen van de CMF te behouden.

Volgens de NSCU onderzoekers is hun werk een belangrijke stap voorwaarts, want CMF’s mogen dan wel interessante eigenschappen hebben; voor brede toepassingen, is essentieel om CMF­componenten aan elkaar te kunnen lassen zonder afbreuk te doen aan de eigenschappen die het materiaal in de eerste plaats aantrekkelijk maken.

Meer bij NSCU>

Groene polymeerfilm voor klimaatvriendelijke koeling

Op compressoren gebaseerde koeltechnieken, zoals airconditioningsystemen, werken goed tegen hittestress. Maar nu het wereldwijd steeds warmer wordt, neemt de vraag naar energie van deze traditionele koelsystemen toe, wat druk legt op de energienetwerken.

Passieve koeling, waarbij weinig of geen energie nodig is om warmte af te voeren, is een milieuvriendelijk alternatief. Verdampingskoeling verlaagt de temperatuur door gebruik te maken van warmte uit waterverdamping. Stralingskoeling is een proces waarbij een lichaam warmte verliest door thermische straling, en waarbij de warmte naar de ruimte buiten de aardse atmosfeer wordt geëmitteerd.

De opwarming van de aarde vergroot echter de luchtvochtigheid in de atmosfeer, wat het broeikaseffect versterkt en de transparantie van diezelfde atmosfeer vermindert. Samen maken deze verschijnselen het een grote uitdaging om overtollige warmte van het aardoppervlak de ruimte in te stralen.

Wetenschappers van de King Abdullah University of Science and Technology

Yue Lei (links) en collega's in de groep van Qiaoqiang Gan (rechts) ontwikkelden een superabsorberende polyacrylaatfilm die een kosteneffectieve koeloplossingen zou kunnen bieden voor hittestress en tegelijk de koolstofemissies en het elektriciteitsverbruik verminderen (Foto: KAUST; Eliza Mkhitaryan)

(KAUST) ontwikkelden een techniek die stralings­ en verdampingskoeling combineert zonder dat er extra chemicaliën of energie nodig zijn. Het systeem is gebaseerd op het superabsorberende

polymeer natriumpolyacrylaat, dat onder meer wordt toegepast in producten zoals luiers.

Het polymeerpoeder kan omgevingsvocht absorberen, zwellen en een poreuze, ononderbroken witte film vormen die zonlicht reflecteert en zonnewarmte tegenhoudt. De polymeerketens zorgen voor de thermische emissie die stralingskoeling bevordert. De film kan ook 's nachts vocht opnemen en overdag weer afgeven, waardoor extra verdampingskoeling mogelijk is.

De onderzoekers toonden aan dat de film de temperatuur met vijf graden Celsius verlaagde zonder enige elektriciteitsvoorziening onder een gedeeltelijk bewolkte hemel. Simulaties hebben inmiddels aangetoond dat de jaarlijkse besparing op koelenergie overeenkomt met 3,3 procent van het totale energieverbruik.

Kunst 'plant' haalt energie uit wind en regen

Elektrische energie kan op verschillende manieren duurzaam uit de natuur worden gewonnen, bijvoorbeeld met zonnepanelen of windturbines. Nadeel is dat ze alleen werken als de zon schijnt of het waait. Meer recent is de ontwikkeling van energieoogsters die werken met meerdere bronnen, waardoor de poten­

tiële output wordt gemaximaliseerd. Een team onder leiding van Ravinder Dahiya (Northern University (Boston) ontwikkelde nu een energieoogstmachine die meerdere bronnen (bijvoorbeeld wind en regen) gebruikt om energie op te wekken.

Het team bouwde twee verschillende

soorten energiecollectoren: een tribo­elektrische nanogenerator (triboelectric nanogenerator: TENG) om kinetische energie uit de wind op te vangen en een op druppeltjes gebaseerde energiegenerator (droplet­based energy generator, DEG) om energie te verzamelen uit vallende regendruppels. De TENG bestond uit een laag nylon nanovezels ingeklemd tussen lagen polytetrafluorethyleen (Teflon), en koperen elektroden. Als de lagen in elkaar drukten, ontstonden statische ladingen die werden omgezet in elektriciteit.

Ook voor de DEG werd teflon gebruikt, terwijl ze waterdicht was gemaakt en bedekt met een geleidende stof die als elektroden diende. Als regendruppels een van de elektroden raakten, veroorzaakt dat een onbalans in de ladingen, waardoor een kleine stroom en hoge spanning ontstond. Onder optimale omstandigheden produceerde de TENG 252 volt en de DEG 113 volt, maar helaas van korte duur.

Het team monteerde de DEG boven op de TENG en verwerkte bladvormige versies in een soort kunstplant. Toen de bladvormige generatoren werden blootgesteld aan wind en regen, konden ze tien LED­lampjes aan de praat houden, zij het met korte flikkeringen. Het experiment moet volgens de onderzoekers dan ook worden gezien als een proof­of­concept voor een plantachtig ‘energiecentrale’­apparaat, dat kan worden uitgewerkt tot grotere systemen of zelfs netwerken van energiecentrales.

Bron: ACS>

Het onderzoek werd afgelopen januari gepubliceerd in ACS Sustainable Chemistry & Engineering onder de title ‘Multisource Energy Harvester on Textile and Plants for Clean Energy Generation from Wind and Rainwater Droplets’. Het is online>

Recycling van elastaan

Kleding is veel te waardevol om na gebruik zomaar weg te gooien en te verbranden. Vanaf 2025 moet gebruikt textiel in de hele EU worden ingezameld en gerecycled. In dat verband zijn er dringend betere recyclingprocessen nodig om de enorme hoeveelheid textiel op een efficiënte en milieuvriendelijke manier te verwerken. Het recyclen van gemengd textiel is namelijk lastig, vooral als het elastaan bevat. De TU Wien (Wenen) heeft daarom methoden ontwikkeld die elastaan niet alleen beter en milieuvriendelijker kan detecteren dan voorheen, maar deze ook op een ‘zachte’ manier kan scheiden waardoor ook andere vezels onbeschadigd kunnen worden. De truc: het juiste oplosmiddel. Elastaan (spandex) is een elastomere kunstvezel die wordt gebruikt vanwege de elasticiteit. De vezel kan tot zes keer de oorspronkelijke lengte worden uitgerekt, om vervolgens naar de oorspronkelijk lengte terug te keren. Die eigenschap heeft ook een nadeel als het op recyclen aankomt.

Elastaan is zo rekbaar dat de shredders die normaal gesproken worden gebruikt om textiel te versnipperen voor recycling, er niet tegen kunnen. Elastaan leidt daardoor tot vervuiling, verstoppingen en klontering in de machines. De eerste stap was het vinden van een

betrouwbare en snelle methode om het elastaangehalte in textiel nauwkeurig te detecteren. Tijdens ons onderzoek van de TU Wien werd ontdekt dat een zo’n methode tot nu toe niet bestond. In het laboratorium van Vasiliki­Maria Archodoulaki is toen een nieuwe ‘Elastane Quantification Tool’ ontwikkeld, een detectiemethode die meet hoeveel elastaan er daadwerkelijk in een kledingstuk aanwezig is. De detectiemethode is gebaseerd op midden­infraroodspectroscopie, die voor het gezamenlijke onderzoek is geoptimaliseerd.

De volgende stap was het vinden van een methode om elastaan van andere vezels te scheiden. Uiteindelijk vonden de onderzoekers een onschadelijk oplosmiddel dat selectief het elastaan verwijdert, waardoor de herbruikbare vezels intact blijven. Op deze manier kunnen materialen zoals polyester of polyamide vrijwel volledig worden teruggewonnenen zelfs het oplosmiddel zelf kan worden teruggewonnen en hergebruikt. Ook wanneer wol wordt gecombineerd met polyester en elastaan, kunnen de afzonderlijke componenten worden gebruikt. Wol wordt onder milde, ongevaarlijke omstandigheden met enzymen afgebroken. Deze methode levert een aminozuurcocktail op die weer kan wor­

Het onderzoekswerk werd uitgevoerd in het kader van het EU­project SCIRT (System Circularity and Innovative Recycling of Textiles). Emanuel Boschmeier ontving voor zijn resultaten de INI Award for Innovation and Sustainability in Engineering, uitgereikt door de Oostenrijkse Vereniging van Ingenieurs en Architecten (ÖIAV) en de Federatie van Oostenrijkse Industrieën (IV).

den gebruikt in de cosmetica­industrie of bij de productie van kunstmest. In de volgende stap wordt elastaan gescheiden en blijft er recyclebaar polyester over.

Er is inmiddels een patentaanvraag ingediend voor de methode.

Het onderzoek werd afgelopen november gepubliceerd in het tijdschrift Resources, Conservation and Recycling onder de titel ‘New separation process for elastane from polyester/elastane and polyamide/elastane textile waste’. Het is online>

Meer bij TU Wien>

3D-geprinte nanocellulose voor architectonische toepassingen

De bouwsector verbruikt vandaag de dag de helft van de fossiele hulpbronnen in de wereld, genereert 40 procent van het mondiale afval en veroorzaakt 39 procent van de mondiale CO2­uitstoot. Vandaar dat er wereldwijd steeds meer onderzoek wordt gedaan naar groene alternatieven.

Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden en het Wallenberg Wood Science Center hebben nu een nieuw alternatief architectonisch materiaal ontwikkeld van nanocellulose en algen.

Nanocellulose is geen nieuw biomateriaal en de eigenschappen ervan als hydrogel zijn bekend binnen de biogeneeskunde. Het team van Chalmers ontwikkelde een 3D­printbaar materiaal van nanocellulosevezels en water en alginaat.

Alginaat is een hydrofiel polymeer

dat uit zeewier wordt gemaakt. Het hoofdbestanddeel is alginezuur, net als zetmeel een polysacharide, opgebouwd uit mannuronzuur en guluronzuur. Het is op de markt en verhardt na mengen met de juiste hoeveelheid water in een rubberachtige consistentie. Chalmers Onderzoekster Malgorzata Zboinska en haar team ontwierpen verschillende routes voor een 3D­printproces om te onderzoeken hoe de nanocellulose­hydrogel zich zou gedragen als deze in verschillende vormen en patronen zou drogen. Deze gedroogde vormen kunnen vervolgens worden toegepast als basis voor het ontwerpen van een breed scala aan architectonische, op zichzelf staande componenten, zoals lichtgewicht scheidingswanden, zonwering en wandpaneelsystemen. Ze kunnen ook de basis vormen voor coatings van bestaande bouwcomponenten, zoals tegels op beklede muren, akoestische

elementen voor het dempen van geluid, en in combinatie met andere materialen om wanden te bekleden.

De studie biedt volgens Chalmers mogelijkheden voor de ontwikkeling van grote, 3D­geprinte nanocellulosemembraanconstructies. Ook geeft het meer inzicht in de relatie tussen het 3D­printpatroon en de dimensionale textuur en geometrische effecten in de uiteindelijke constructies.

De resultaten van het onderzoek werden eind december gepubliceerd in het tijdschrift Materials and Design onder de titel ‘Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel’. Het is online>

Meer bij Chalmers>

Intelligente metalen kussens met geïntegreerde sensorfunctie

Met een hoge chemische en thermische bestendigheid zijn metalen kussens een goed alternatief voor elastomeercomponenten in dragende machineonderdelen. De elasticiteit en demping van het draadgaas is gebaseerd op de interactie van individuele draadsegmenten tijdens vervorming. Datzelfde mechanisme vertaalt zich ook in de elektrische eigenschappen. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Structurele Duurzaamheid en Systeembetrouwbaarheid LBF hebben van deze eigenschap gebruik gemaakt voor een nieuw sensorconcept. De nieuwe sensortechnologie kan volgens de LBF wetenschappers kosteneffectief en ruimteneutraal in bestaande systemen worden geïntegreerd en detecteert direct trillingen en belastingen. Toepassingen moeten volgens Fraunhofer worden gezocht in de voertuig­ en machinebouw, maar ook in de meet­ en testtechniek.

Terwijl de mechanische eigenschappen van elastomeren worden bepaald door macromoleculaire interacties, dankt het draadmateriaal haar elasticiteit en dempingseigenschappen vooral aan de wisselwerking tussen de verweven draadsegmenten. Draaddiameter, materiaal en weefdichtheid bepalen de specifieke eigenschappen. Naast het elastomeerachtige gedrag van metalen kussens vertonen ze een uitstekende weerstand tegen agressieve stoffen, extreme temperaturen en verouderingseffecten. Om die reden zijn ze interessant voor de trillingstechnologie en openen ze nieuwe perspectieven waar conventionele elastomeercomponenten tegen

grenzen aan lopen.

Een eigenschap van metalen kussens die tot nu toe minder aandacht heeft gekregen, is hun elektrische geleidbaarheid. Die varieert afhankelijk van de vervormingstoestand, die het aantal en de druk van de contactoppervlakken in het draadgaas beïnvloedt. Door de geleidbaarheid respectievelijk de elektrische weerstand te meten, kunnen conclusies worden getrokken over de vervorming van het draagelement en de daarin heersende krachten. Voortbordurend op dit idee heeft een interdisciplinair team bij Fraunhofer LBF een nieuw sensorconcept ontwikkeld waarin metalen kussens, naast hun traditionele rol als structurele elementen, ook trillingsanalyse en de bepaling van statische en dynamische draagkrachten mogelijk maken. Inmiddels is er patent op het principe verkregen.

De onderzoekers bouwden inmiddels een prototype om de statische en dyna­

mische eigenschappen van verschillende metalen kussens te bepalen en bovendien de sensorwerking systematisch onderzoeken en optimaliseren. De mogelijke toepassingen van het sensorconcept strekken zich volgens Fraunhofer uit over verschillende industrietakken die te maken hebben met trillingstechnologie. Bijzonder voordeel is dat de metalen sensorkussens eenvoudig en kosteneffectief in bestaande systemen kunnen worden geïntegreerd. Het nieuwe systeem beantwoordt daarmee volgens Fraunhofer aan de grote vraag naar structureel­dynamische data, die informatie geven over zowel de conditie van machines als processen. Daarmee kan eventuele schade ­ ook aan de kussens zelf ­ vroegtijdig worden voorkomen.

Oorspronkelijke tekst Fraunhofer>

Meer bij Fraunhofer>

3D-printen met vloeibaar metaal

MIT­onderzoekers hebben een additieve productietechniek ontwikkeld die snel kan printen met vloeibaar metaal, waardoor binnen enkele minuten relatief grote onderdelen zoals tafelpoten en stoelframes kunnen worden geproduceerd. Bij de methode ­ liquid metal printen (LMP) ­ wordt gesmolten aluminium afgezet in een bed van kleine glaskralen volgens een vooraf gedefinieerd pad. Het aluminium hardt snel uit tot een 3D­structuur.

De onderzoekers zeggen dat LMP minstens tien keer sneller is dan een vergelijkbaar metaaladditief productieproces, en dat de procedure om het metaal te verwarmen en te smelten efficiënter is dan sommige andere methoden. De techniek verkiest snelheid en schaalbaarheid boven resolutie. Hoewel het componenten kan printen die groter zijn dan de componenten die doorgaans met langzamere additieve technieken worden gemaakt, en tegen lagere kosten, kan het geen hoge resoluties bereiken. Onderdelen geproduceerd met LMP

zouden bijvoorbeeld geschikt zijn voor sommige toepassingen in de architectuur, constructie en industrieel ontwerp, daar waar componenten van grotere

constructies geen extreem fijne details vereisen. Het kan ook effectief worden gebruikt voor snelle prototyping met gerecycled metaal of schroot.

In een recent onderzoek demonstreerden de onderzoekers de procedure door aluminium frames en onderdelen voor tafels en stoelen te printen die sterk genoeg waren om een nabewerking aan te kunnen. Ze lieten zien hoe componenten gemaakt met LMP konden worden gecombineerd met processen met hoge resolutie en aanvullende materialen om uiteindelijk functioneel meubilair te maken.

Een bestaande methode voor het printen met metalen voor de bouw en architectuur, genaamd wire arc additive manufacturing (WAAM), is in staat grote structuren met een lage resolutie te produceren, maar die kunnen volgens MIT gevoelig zijn voor barsten en kromtrekken, omdat sommige delen tijdens het printen opnieuw moeten worden gesmolten. LMP daarentegen zorgt ervoor dat het materiaal gedurende het hele proces gesmolten blijft, waardoor enkele van de structurele problemen

Het LMP-proces kan het printen van complexe geometrieën mogelijk maken, zoals bovenstaande spiraal (Foto: MIT Self-Assembly Lab)

die door het opnieuw smelten worden veroorzaakt, worden vermeden.

De onderzoekers ontwikkelden een machine die aluminium smelt, het gesmolten metaal vasthoudt en dit met hoge snelheid door een mondstuk deponeert.

Grote onderdelen kunnen in slechts enkele seconden worden geprint, waarna het gesmolten aluminium binnen enkele minuten afkoelt.

Het team koos voor aluminium omdat het veel in de bouw wordt gebruikt

en goedkoop en efficiënt kan worden gerecycled.

Het metaal wordt opgewarmd tot 700 °C, iets boven het smeltpunt van aluminium (660 °C). Het aluminium wordt op een hoge temperatuur gehouden in een grafietkroes en vervolgens wordt het gesmolten materiaal door de zwaartekracht door een keramisch mondstuk in een printbed gevoerd, langs een vooraf ingesteld pad. Ze ontdekten dat hoe groter de hoeveelheid aluminium die ze konden smelten, hoe sneller de printer kon werken. Door het gesmolten materiaal rechtstreeks in een korrelige substantie te injecteren, hoeven de onderzoekers geen dragers te printen om de aluminiumstructuur vast te houden, terwijl deze vorm krijgt.

De onderzoekers experimenteerden met een aantal materialen voor het printbed, grafietpoeders en kozen uiteindelijk voor glaskraaltjes van 100 micron. De kleine glasbolletjes, die bestand zijn tegen de extreem hoge temperatuur van gesmolten aluminium, fungeren als een neutrale suspensie, waardoor het metaal snel kan afkoelen.

Uiteindelijk waren de onderzoekers in staat om snel aluminium frames met verschillende diktes te produceren, die sterk genoeg waren om bewerkingsprocessen zoals frezen en kotteren (verspanen) te weerstaan.

Meer bij MIT>

De paper is online (pdf)>

De onderzoekers kunnen de voedingssnelheid van het printproces van vloeibaar metaal aanpassen, zodat er meer of minder materiaal wordt afgezet terwijl de spuitmond beweegt, waardoor de vorm van het geprinte object verandert (Foto: MIT Self-Assembly Lab) Video

Eerste functionele halfgeleider van grafeen

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben 's werelds eerste functionele halfgeleider gemaakt van grafeen, een enkel vel koolstofatomen dat bij elkaar wordt gehouden door de sterkste bindingen die we kennen. Halfgeleiders, materialen die onder specifieke omstandigheden elektriciteit geleiden, zijn fundamentele componenten van elektronische apparaten.

De ontdekking komt op een moment dat silicium, het materiaal waaruit bijna alle moderne elektronica is gemaakt, de grens van haar technische mogelijkheden lijkt te hebben bereikt als het gaat om toepassing in snelle computers en apparaten.

Het onderzoek ­ geleid door Walter de Heer, hoogleraar natuurkunde bij Georgia Tech, was er op gericht om een grafeenhalfgeleider te ontwikkelen die compatibel is met conventionele

micro­elektronische verwerkingsmethoden; een eigenschap noodzakelijk voor elk nieuw alternatief voor silicium. Het belangrijkste struikelblok en

de reden waarom velen dachten dat grafeenelektronica nooit zou werken: de zogenaamde ‘band gap’. Dat laatste is een cruciale elektronische eigenschap

die halfgeleiders in staat stelt aan en uit te schakelen. Grafeen had tot nu toe geen bandafstand. De doorbraak kwam toen het team erachter kwam hoe je met speciale ovens grafeen op siliciumcarbidewafels kunt laten groeien. Ze produceerden epitaxiaal grafeen, waarbij een enkele op een kristalvlak van het siliciumcarbide wordt aangebracht. Het team ontdekte dat, als het op de juiste manier wordt gemaakt, het epitaxiale grafeen zich chemisch aan het siliciumcarbide hechtte en halfgeleidende eigenschappen begon te vertonen. Jarenlang werkten de onderzoekers van het Georgia Tech aan de perfectionering van het materiaal; de laatste jaren in samenwerking met collega's van het Tianjin International Center for Nanopar­

ticles and Nanosystems aan de Tianjin Universiteit in China.

Uiteindelijk leverde dat een tweedimensionale grafeenhalfgeleider op die alle noodzakelijke eigenschappen heeft om in de nano­elektronica te worden gebruikt. De elektrische eigenschappen zouden bovendien veel beter zijndan die van alle andere 2D­halfgeleiders die momenteel in ontwikkeling zijn. Epitaxiaal grafeen zou een paradigmaverschuiving op het gebied van de elektronica kunnen veroorzaken en de weg openen tot volledig nieuwe technologieën. Het materiaal maakt het mogelijk de kwantummechanische golfeigenschappen van elektronen te benutten, wat een vereiste is voor kwantumcomputers.

Het onderzoek werd afgelopen januari

gepubliceerd jn Nature onder de titel ‘Ultrahigh­mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide’. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586023­06811­0.

Meer bij Georgia Institute of Technology>

Transparante 'licht-energie-oogstmachine' van glas

Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ontwikkelden een nieuwe manier om fotogeleidende circuits te maken, waarbij het circuitpatroon met femtoseconde laserlicht rechtstreeks op een glasoppervlak wordt aangebracht. De nieuwe technologie kan wellicht in de toekomst worden gebruikt voor het oogsten van energie, terwijl het glas transparant blijft.

Wat gebeurt er als je tellurietglas blootstelt aan hoogenergetisch, femtoseconde laserlicht? Dat was de vraag die Gözden Torun van het Galatea Lab (in samenwerking met Tokyo Tech­wetenschappers) wilde beantwoorden in haar proefschrift toen ze een onverwachte ontdekking deed. Precies op de plaatsen waar het laserlicht het glas had geraakt, hadden zich op nanoschaal telluur­ en telluuroxidekristallen gevormd. Dat was het eureka­moment voor de wetenschappers, aangezien een halfgeleidend materiaal dat wordt blootgesteld aan daglicht kan leiden tot de opwekking van

elektriciteit. En zo wisten de onderzoekers een eenvoudig lijnenpatroon op het oppervlak van tellurietglas aan te brengen, dat inderdaad stroom kon genereren bij blootstelling aan UV­licht en het zichtbare spectrum. Maandenlang. En dat terwijl er wat materiaal betreft alleen tellurietglas voor nodig is.

Het onderzoek werd in februari van dit jaar gepubliceerd in Advanced Materials onder de titel ‘Formation Mechanism of Elemental Te Produced in Tellurite Glass Systems by Femtosecond Laser Irradiation.’ Het is online>

Meer bij EPFL>

MAKE IT MATTER

De rubriek MAKE IT MATTER wordt in samenwerking met MaterialDistrict (MaterialDistrict.com) samengesteld. In deze rubriek worden opvallende, en/of interessante ontwikkelingen en innovatieve materialen uitgelicht.

Reef Rocket

Industrieel ontwerper Mary Lempres ontwikkelde een rifstructuur van biocement ­ de zogenaamde Reef Rocketontworpen om natuurlijke riffen te herstellen. In tegenstelling tot conventioneel cement wordt het biocement gemaakt van plantaardig afval, dat zonder gebruik van hitte of anderszins verbranding van fossiele brandstoffen wordt omgezet in een ruw extract. Het extract wordt vervolgens gemengd met gemalen aggregaat, inclusief gemalen glas en oesterschelpen.

Meer bij MaterialDistrict>

Phellem collection

Phellem is de buitenste laag van de boomschors die de functie heeft het boomlichaam te beschermen. De structuur van die buitenste laag is wordt bepaald door het soort boom, de habitat en de manier waarop de schors zichzelf tegen invloeden van buitenaf tegen schimmels en beschadigingen heeft verweerd. Ontwerpstudio Alcarol (Belluno, Italië) bedekt de bast met een innovatieve transparante biologische hars en maakt er producten van waarbij de met een bijzondere baststructuur zichtbaar blijft.

Meer bij MaterialDistrict>

Agribiopanel

Strawcture (Nieuw Delhi) maakt functionele, isolerende en volledig koolstofnegatieve bio­bouwmaterialen van afvalvezels. Het vlaggenschip is Agribiopanels, een volledig Cradle­to­Gate koolstofnegatief bouwmateriaal gemaakt van 96 procent biomassa. Het materiaal kan worden gebruikt voor diverse toepassingen in het interieur van gebouwen, zoals scheidingswanden, plafonds, vloeren, akoestische isolatie en meubilair. Elke vierkante meter legt volgens de producent tijdens zijn levensduur 3 kg CO2 vast.

Meer bij MaterialDistrict>

Windturbinebladen van hout

Conventionele windturbinebladen zijn gemaakt van een composiet van glasvezel­ en koolstofvezels dat lastig te recyclen is. Daardoor verdwijnt 78 procent van de afvalbladen op stortplaatsen. Het Duitse bedrijf Voodin Blade Technology ontwikkelde windturbinebladen van hout. De bladen van Voodin zijn gemaakt van Gelamineerd Fineerhout (LVL) dat goedkoper is en bijna 80 procent minder CO2 ­ uitstoot genereert dan conventionele bladen. In 2024 start de eerste pilot bij een renovatie van een oude windturbine.

Meer bij MaterialDistrict>

Fibralux biobased

Fibralux biobased is een MDF­paneel gemaakt van 100 procent hergebruikt hout (dat anders zou worden verbrand) en plantaardige lijm. De biolijm is gemaakt van lokaal geteelde hernieuwbare grondstoffen: zonnebloemen en koolzaadplanten, en lokaal geproduceerd waardoor de totale CO2­uitstoot voor de productie van de lijm met 80 procent wordt verminderd. De plantaardige lijm wordt gemaakt van reststromen uit de agrarische industrie.

Meer bij MaterialDistrict>

SymbioMatter schuim

SymbioMatter (Rotterdam) ontwikkelde een schuim gemaakt van een afvalstroom van een peulvruchtenfabriek. In tegenstelling tot conventioneel plastic schuim is het zachte schuim volledig plantaardig en biologisch afbreekbaar. Het SymbioMatter­schuim onderscheidt zich door zijn zachte, flexibele en lichtgewicht karakter en beschikt ook over bewegingsdempende en isolerende eigenschappen. Het is volgens de producent zeer geschikt voor het verpakken van bijvoorbeeld elektronische componenten.

Meer bij MaterialDistrict>

Hennep & Mycelium sandwichpaneel

Het Hennep & Mycelium sandwichpaneel is een biobased paneel van myceliumkern ingeklemd tussen twee henneplagen. Het is duurzaam en sterk en bedoeld voor toepassingen in de bouw. Het is geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van woonhuizen tot commerciële gebouwen, en zijn veelzijdigheid maakt het ideaal voor muren, daken en vloeren.

Meer bij MaterialDistrict>

KVK Innovatie Top 100 2023

Ferr­Tech uit Meppel heeft de eerste plaats veroverd in de 18e KVK Innovatie Top 100. Het bedrijf is wereldwijd marktleider in Ferraat (VI) toepassingen voor industriële (afval)waterzuivering. Ferraat is een oxidant die krachtiger is dan chloordioxide, waterstofperoxide en ozon. De innovatie, FerSol, maakt zo duurzame reiniging van afvalwater voor hergebruik mogelijk. Ferr­Tech mag zich een jaar lang het meest innovatieve mkb­bedrijf van Nederland noemen. De Kamer van Koophandel (KVK) presenteert elk jaar de KVK Innovatie Top 100 om te laten zien waartoe het Nederlandse mkb in staat is. De nieuwe ranglijst werd eind 2023 bekendgemaakt en bevatte ook dit jaar een serieus aantal innovaties op het gebied van materialen en materiaaltoepassingen.

NoPalm Ingredients:

Palmolie zonder palmbomen

Het Wageningse NoPalm Ingredients legde beslag op de tweede plaats. Palmolie is een populaire grondstof met een brede toepassing. Grootschalige productie van palmolie wordt door diverse milieuorganisaties bekritiseerd, omdat deze ten koste van oerwoud gaat. Duurzaam geproduceerde palmolie ­ Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO) kan de groeiende vraag niet aan. NoPalm Ingredients maakt palmolie zonder palmbomen te gebruiken. Dat doen ze door agrifood zijstromen te upcyclen middels fermentatie. Hierdoor zijn ze in staat dezelfde veelzijdigheid en betaalbaarheid van palmolie te bieden, maar met 90 procent minder CO2­uitstoot. De gistoliën en ­vetten die NoPalm Ingredients aan bedrijven verkoopt, worden puur of als fractievervanger gebruikt in voedingsmiddelen, cosmetica en thuisverzorgingsproducten. De overgebleven biomassa wordt terug in de waardeketen gebracht en door andere partners gebruikt om te valoriseren. www.nopalm­ingredients.com/

CircuWall BV Alblasserdam

CircuGlue losmaakbare lijm

CircuWall in Alblasserdam ontwikkelt losmaakbare lijmen (CircuGlue) op basis van een gerecycled bindmiddel voor uiteenlopende toepassingen. Door het gebruik van vloeibare losmaakbare lijmen kunnen producten die daarmee zijn verlijmd (relatief) eenvoudig op ieder gewenst moment worden losgemaakt met nagenoeg geen schade aan genoemde producten. Door geen/weinig schade aan de ondergronden worden (reparatie of nieuwe) materialen, CO2, geld en tijd bespaard. De methode CircuWall was goed voor de negende plaats.

www.circuwall.nl/

BVP Verpakkingen BV Papercooler

De Papercooler van BVP Verpakkingen BV uit Dordrecht is een volledig recyclebare isolerende verzendverpakking van 100 procent papier en een milieuvriendelijk alternatief voor de traditionele EPS (piepschuim / tempex) koelverzendbox.

De golfkartonnen doos is aan de binnenkant bekleed met een uitneembaar kartonnen frame dat gevuld is met meerdere lagen gewafeld dun papier, waardoor een sterke isolerende luchtbarrière ontstaat.

De papieren koelbox is verwerkbaar in de reguliere afvalstroom van papier en is goed recyclebaar. Daarnaast is hij beschermend, herbruikbaar en makkelijk transporteerbaar en vervoerbaar.

De Papercooler was goed voor de elfde plaats.

www.bvp.nl/

Thermoware Particle Foam Machinery BV Droogschuim productielijn voor EPP schuimkernen

Thermoware Particle Foam Machinery BV Barneveld werd zestiende in de Innovatie Top 100 met een droogschuim productielijn voor EPP schuimkernen. Het bedrijf is de enige producent en leverancier ter wereld van 'droogschuim' productieapparatuur voor de automotive industrie, dit om op een zeer snelle, energiezuinige en milieuvriendelijke productiemethode EPP schuimkernen voor zonnekleppen te produceren. Cyclustijd, energieverbruik en productiekosten worden tot een minimum beperkt. Drooggieten door Thermoware garandeert volgens het bedrijf een hoge kwaliteit van de deeltjesfusie, waardoor nabehandeling overbodig wordt.

www.thermoware.com

Het productieproces>

Fabulous Fungi

Fabulous Fungi pigmenten

Het gebruik van synthetische textielverf in de mode­industrie is schadelijk voor mens en natuur. Fabulous Fungi uit Rotterdam ontwikkelde een alternatief in de vorm van een duurzame textielverf op basis van schimmels. Schimmels gebruiken biochemische processen om pigmenten te produceren waardoor de impact anders is dan bij gebruik van op fossiel gebaseerde warmte en extractie processen. Dat zorgt voor reductie van CO2­uitstoot. Daarnaast worden er bij dit proces geen schadelijke chemicaliën gebruikt en daardoor veel minder water. De schimmelpigmenten zijn biologisch afbreekbaar. Fabulous Fungi sleepte de 40e plaats binnen.

www.fabulousfungi.nl/

Recyclebare backcoating

Schmits Chemical Solutions, Almelo

Met de ontwikkeling van de recyclebare backcoating heeft

Schmits uit Almelo een systeem ontwikkeld, waarmee de traditionele latex en PVC backing in tapijten vervangen kan worden door een polymeer (polyester, polypropyleen of polyamide) waar de tapijtpool (bovenzijde) ook van geproduceerd is. Zodoende kan een mono­tapijt geproduceerd worden

De recyclebare backcoating leverde de 58e plaats op.

www.schmitschemicalsolutions.com

Shelduck.co BV

Landbouw Reststromen 3D-printen

Met hun eigen ontwikkelde 3D­printtechniek kan Shelduck. co uit Zwolle meubels printen uit een goot aantal biologisch restmateriaal; volledig biobased en volledig biologisch afbreekbaar.

Dat is volgens Shelduck.co niet alleen goed voor het milieu, maar is ook heel makkelijk als het meubilair aan het einde van de levensduur is geraakt. Het kan gewoon de groenbak in. Het leverde Shelduck de 36e plaats op in de Innovatie Top 100 2023.

www.shelduck.co

Beton-Lab

Novel Grey

Beton­Lab in Utrecht ontwikkelde een nieuw, duurzaam beton op basis van afval van de metaalindustrie. Door middel van upcycling wordt landfill gebruikt om daar een nieuw bindmiddel mee te maken waarmee cementvrij, geopolymeerbeton kan worden gemaakt. Geopolymeren zijn anorganisch polymeren, die als ze worden geactiveerd, veranderen in een keten van moleculen met cementachtige eigenschappen. Geopolymeren hebben vergelijkbare eigenschappen als gewoon beton, maar een veel lagere CO2­belasting dan cement, het hoofdbestanddeel van gewoon beton. Beton­Lab ontwikkelde niet alleen een nieuwe receptuur, maar ook een passend schaalbaar productieproces en 3D­tegelontwerpen om dit zelfontwikkelde duurzame beton mee op de markt te brengen.

Het leverde de 72e plaats op.

www.beton-lab.com

Loop Biotech, Delft Levende Urn

De 'Loop EarthRise' Levende Urn van Loop Biotech in Delft maakt gebruik van paddenstoelen en organische materialen om een duurzame en regeneratieve uitvaart te bieden. De Levende Urn is gemaakt van mycelium en upcycled hennepvezels, waardoor het biologisch afbreekbaar is en de bodem verrijkt tijdens het decompositieproces. De urn is in slechts een week gegroeid.

Eenmaal begraven biodegradeert de Loop EarthRise in slechts 45 dagen, waar het na de dood voedingsstoffen teruggeeft aan de natuur op de meest natuurlijke manier.

De jury honoreerde de Levende Urn met de 84e plaats.

www.loop-biotech.com

Flip the City De kroostegel

Flip the City Rotterdam is een ontwerpstudio die zich de afgelopen twee jaar heeft gericht op het ontwerpen van een eendenkroos­keten. Klimaatverandering en de toename in gebruik van kunstmest zorgt dat het welbekende waterplantje steeds sneller groeit. Zomers vormt er vaker een dikke deken eendenkroos dat het leven onderwater verstikt. Maar eendenkroos zit boordevol met voedingstoffen voor plantengroei. Van dat kroos maakt Flip the City een tegel (30 bij 30 centimeter) die speciale zaden bevat waaruit planten en bloemen groeien die de biodiversiteit verhogen. De tegel kan één op één een betonnen straattegel vervangen. De jury beloonde de kroostegel met de 98e plaats.;

www.letsflipthecity.nl

Plantaardige drukinkt

Natuurlijke kleurstoffen worden al eeuwenlang door mensen gebruikt. Indigo, karmijn, paars en ultramarijn waren al in de oudheid bekend en werden pas tijdens de industriële revolutie vervangen door synthetische kleurstoffen. Het Onderzoeksinstituut voor Textielchemie en Textielfysica van de Universiteit van Innsbruck in Dornbirn doet al meer dan 25 jaar onderzoek naar natuurlijke kleurstoffen. Ondanks een trend naar ecologische grondstoffen hebben natuurlijke kleurstoffen zich nog niet kunnen vestigen in de textielindustrie. Ze verliezen sneller hun kleurkracht bij het wassen en in zonlicht en zijn duurder om te produceren dan hun synthetische concurrenten. Onderzoekster Judith Deriu werkt aan de ontwikkeling van natuurlijke kleurpigmenten uit planten en daarop gebaseerde duurzame drukinkten voor de industrie.

De belangstelling van de industrie voor duurzame producten groeit snel. Enerzijds komt dit door de strengere wetgeving op het gebied van duurzaamheid en circulaire economie. Aan de andere kant groeit het milieubewustzijn en de bereidheid van consumenten om meer geld uit te

geven aan ecologische en duurzame producten.

Judith Deriu is vooral op zoek naar rode en blauwe tinten, omdat deze tot nu toe grotendeels ontbreken in het kleurenpalet op basis van natuurlijke kleurstoffen. Er zijn al recepten voor geel, oker, olijfgroen,

bruin, beige en zwart die interessant zijn voor industrieel gebruik, vaak gebaseerd op residuen uit de bosbouw, landbouw en de voedingsindustrie of andere planten. Zwart kan worden verkregen uit houtafval van zagerijen, olijfgroen uit uienschillen, blauw uit bosbessen en blauwalgen en rood uit

druiven en bessen. Indigo en meekrap worden bewust niet gebruikt omdat ze in Midden­Europa niet efficiënt geproduceerd kunnen worden. Vanwege de lange transportroutes en de daarmee gepaard gaande CO2 ­uitstoot vermijdt Deriu plantaardige grondstoffen uit verre landen.

Niet alleen de kleurpigmenten zijn gebaseerd op hernieuwbare grondstoffen, ook de bindmiddelen

en dragervezels die nodig zijn voor de productie van de drukinkten moeten worden vervangen. Materialen gemaakt uit fossiele grondstoffen belasten de natuur zwaar. Uit synthetisch textiel komen microvezels vrij die niet kunnen worden afgebroken, en kunstmatige bindmiddelen met pigmenten komen als microplastics in het milieu terecht uit de motieven die op textiel zijn gedrukt. De Dornbirn­wetenschappers gebruiken hun plantenpigmenten bijvoorbeeld

om biobased cellulosevezels te kleuren, die via een industrieel proces uit hout worden vervaardigd. Voor het printen op textiel en papier test Deriu duurzame bindmiddelen op basis van biologisch afbreekbare polysachariden om de vorming van microplastics te voorkomen.

Samen met industriële partners worden momenteel verschillende drukinkten ontwikkeld. De pigmentdeeltjes van Deriu zijn echter nog te groot voor papierprinten; ze moeten kleiner zijn dan drie micrometer. De resultaten bij het bedrukken van textiel zijn echter veelbelovend. Voorbeelden zijn boodschappentassen of T­shirts. In de papiersector zijn inpakpapier, verpakkingsmaterialen en papieren zakken mogelijke toepassingsgebieden voor de nieuwe kleuren en drukinkten. Bij kleding moeten de kleuren verder ontwikkeld worden, zodat ze bestand zijn tegen vaak wassen.

Tekst is gebaseerd op een artikel van het onderzoeksmagazine Future Research van de Universiteit van Innsbruck.

Mining the atmosphere

Bouwen met CO 2

De bouwsector als CO2­opslag? Onderzoekers van het Beton & Asfaltlab van het Zwitserse materiaalinstituut Empa werken eraan. Door biochar in beton te verwerken onderzoeken ze de mogelijkheden van CO2­neutraal of zelfs CO2 ­negatief beton. Om dat voor elkaar te krijgen verwerken ze de biochar tot pellets en gebruiken die om conventionele aggregaten te vervangen.

Om Zwitserland in 2050 klimaatneutraal te maken zijn processen met een negatieve CO2 ­balans noodzakelijk. Deze zogenaamde negatieve emissietechnologieën (NET) zijn bedoeld om de resterende ‘moeilijk te vermijden’ emissies in 2050 tegen te gaan. Als een van de belangrijkste uitstoters heeft de bouwsector een bijzondere verplichting. Ongeveer acht procent van de mondiale uitstoot van broeikasgassen wordt veroorzaakt door de cementproductie. Een interessant ­ en bijna paradoxaalidee zou zijn om koolstof uit de lucht te gebruiken als grondstof voor de bouw, bijvoorbeeld als biochar­component in betonmengsels. Daar is veel onderzoek voor nodig en dat is precies wat Empa nu doet.

Porositeit problemen Biochar kan worden geproduceerd met een biomassa pyrolytisch te carboniseren in afwezigheid van zuurstof. Het materiaal dat daaruit ontstaat, bestaat voor een groot deel uit pure koolstof ­ de koolstof die de planten tijdens hun groei in de vorm van CO2 uit de atmosfeer hebben gehaald. Terwijl CO2 vrijkomt bij de verbranding van planten, blijft het op lange termijn gebonden in de biochar. De eerste betonproducten met geïntegreerde biochar zijn al op de markt. Biochar wordt echter vaak onbehandeld in het beton gebracht, wat tot problemen kan leiden. Biochar is namelijk erg poreus en absorbeert daarom niet alleen veel water, maar ook (dure) hulpstoffen

die worden gebruikt bij de betonproductie. Bovendien is het lastig te hanteren en ook niet helemaal onschadelijk. Het fijne kolenstof is slecht voor de luchtwegen en brengt een zeker explosiegevaar met zich mee.

Om die redenen hebben de Empa­onderzoekers de biochar verwerkt tot pellets, die vervolgens aan betonmengsels worden toegevoegd. Hun methode werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Journal of Cleaner Production.

Netto nul

Om de pellets te maken gebruikte het team een betonmixer met een roterende pan waarin ze de biochar met water en cement mengden. Door de rotatie ont­

Beton zonder uitstoot: Empa-onderzoekers Mateusz Wyrzykowski (rechts) en Nikolajs Toropovs vervangen conventionele aggregaten door pellets gemaakt van biochar en onderzoeken zo de mogelijkheden van CO2-neutraal of zelfs negatief beton (Foto: Empa)

stonden kleine pellets met een diameter tussen 4 en 32 millimeter. Op hun beurt gebruikten ze deze pellets om normaal beton te produceren met de sterkteklassen C20/25 tot C30/37 ­ de klassen die tegenwoordig het meest worden gebruikt in de civiele techniek. Met een aandeel van 20 volumeprocent koolstofpellets in het beton wisten ze een netto nul­uitstoot te bereiken. Dat wil zeggen dat de hoeveelheid opgeslagen koolstof de totale emissies compenseert die worden geproduceerd bij de productie van zowel de pellets als van het beton. Terwijl de grens voor normaal beton (dichtheid tussen 2.000 en 2.600 kg/m3) met 20 volumeprocent waarschijnlijk nog niet is bereikt, is het negatieve emissiepotentieel vooral op­

Mining the atmosphere

vallend voor lichtgewicht beton (dichtheid ca. 1.800 kg/m3). Een bijmenging van 45 volumeprocent koolstofpellets in het beton leidt tot een totale negatieve uitstoot van minus 290 kg CO2/m3. Ter vergelijking: bij conventioneel beton komt ongeveer 200 kg CO2/m3 vrij.

Koolstof uit de atmosfeer

De onderzoekers willen in de toekomst niet zozeer biochar als koolstofbron gebruiken voor de pellets, maar CO2 uit de atmosfeer. Onder het adagium ‘Mining the Atmosphere’ (zie kader), werken verschillende laboratoria van Empa bijvoorbeeld aan de productie van synthetisch methaan met behulp van zonne­energie, water en CO2 uit de atmosfeer in zonnige gebieden van de wereld, en de daarop­

volgende pyrolyse van het synthetische gas. Dat levert waterstof op, dat kan worden gebruikt als energiedrager in de industrie of mobiliteit, en vaste koolstof, die Empa dan wil omzettem tot pellets zoals biochar en verwerken in beton.

Het werk van Empa onderzoekers M. Wyrzykowski, N. Toropovs, F. Winnefeld en P. Lura werd afgelopen januari gepubliceerd in tijdschrift Journal of Cleaner Production onder de titel ‘Cold-bonded biochar-rich lightweight aggregates for net-zero concrete. Het is online>

Originele tekst: Empa>

Om de huidige klimaatdoelen te halen, en klimaatverandering effectief tegen te gaan, moeten niet alleen de uitstoot van broeikasgassen worden teruggedrongen, maar moet ook het overtollige, door de mens veroorzaakte CO2 uit de atmosfeer worden verwijderd. Dat is het doel van een nieuw grootschalig onderzoeksinitiatief van Empa, Mining the Atmosphere. Op 13 december 2023 verscheen op de Empa website een artikel waarin Peter Richner, adjunct­directeur van Empa, uitlegt hoe dat kan worden gedaan en tegelijkertijd een compleet nieuw economisch systeem ontstaat.

Het artikel is HIER te vinden>

Sanering van verontreinigde houtconstructies

In Duitsland zijn ongeveer drie miljoen gebouwen vervuild met de giftige houtverduurzamingsmiddelen lindaan en pentachloorfenol (PCP). Eerdere maatregelen om besmetting te minimaliseren zijn onder meer het isoleren van vervuilde gebieden of het afvoeren van behandelde houten bouwmaterialen als gevaarlijk afval. Deze maatregelen zijn echter niet duurzaam en ook niet kostenefficiënt. In het CycloPlasma­project ontwikkelen onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Bouwfysica IBP een nieuw type proces om deze decennia­oude verontreinigingen te verwijderen ­ zowel in de lucht als in vervuilde houten constructies. Het proces is volgens Fraunhofer residuvrij en duurzaam en vormt geen gevaar voor de gezondheid.

In de jaren zeventig en tachtig werden houten constructies in gebouwen massaal behandeld met de houtverduurzamingsmiddelen lindaan en pentachloorfenol (PCP) om ze te beschermen tegen schimmel­ en insectenplagen. Deze stoffen bleken later kankerverwekkend en neurotoxisch. Ze zijn in Duitsland sinds 1989 verboden.

Deze giftige stoffen zijn niet erg vluchtig en hechten zich aan het materiaal. Daarmee zorgen ze voor vervuiling van

houten balken, houten lambrisering en dakspanten en zijn nog steeds een gevaar voor de gezondheid. Vooral historische gebouwen en gebouwen worden getroffen, en datzelfde geldt voor openbare gebouwen uit die periode, zoals overheidsgebouwen, kleuterscholen en scholen.

Eerdere oplossingen voor het verwijderen van verontreinigingen werkten niet goed of hadden ongewenste bijeffecten. Met de CycloPlasma­technologie

zeggen onderzoekers van Fraunhofer IBP in het Duitse Valley, een oplossing te hebben ontwikkeld waarmee gevaarlijke verontreinigingen op een milieuvriendelijke, duurzame manier kunnen worden verwijderd. En dat zonder enig residu en zonder verlies van bouwstof. In het CycloPlasma­project, combineren onderzoekers een adsorptietechnologie voor het ontsmetten van hout en een plasmamethode voor het zuiveren van lucht van verontreinigende stoffen die al

omsluiten als adsorberend materiaal de giftige houtverduurzamingsmiddelen en kapselen deze volledig in

zijn vrijgekomen in binnenruimtes. De onderzoekers gebruiken cyclodextrine (CD) als adsorberend materiaal, dat als een vernis op hout wordt aangebracht. Deze moleculen kunnen verontreinigende stoffen zoals lindaan en PCP binden. Ze werden honderd jaar geleden ontdekt en worden gebruikt om grond te ontsmetten die vervuild is met zware metalen of olie.

Cyclodextrinen zijn ringvormige dextrosemolecuulketens die enzymatisch worden gesynthetiseerd uit zetmeel. De ringstructuren van suikerketens omsluiten het lindaan en PCP in een holte en kapselen ze daardoor volledig in. De Fraunhofer onderzoekers hebben nu een nieuwe gelachtige formule ontwikkeld op basis van de cyclodextrinen, in de vorm van een wit poede. De gel kan op niet­destructieve wijze op hout worden aangebracht. De kleurloze textuur verandert de houtstructuur niet en is niet zichtbaar op het houtoppervlak. Het veroorzaakt geen schimmelgroei en is niet giftig, kleurloos, biologisch afbreekbaar en wasbaar. De stof dringt door tot in de poriën van het hout, waar het de verontreinigingen als een spons opzuigt. Als er echter te veel giftige stoffen aanwezig zijn, kunnen deze niet volledig door de gel worden geabsorbeerd. De

overtollige verontreinigingen komen vervolgens in de binnenlucht terecht.

Hier komt plasmatechnologie om de hoek kijken. Een plasma­apparaat, dat bijvoorbeeld aan het plafond kan worden bevestigd, absorbeert de gevaarlijke stoffen en maakt deze onschadelijk.

Elektroden in het apparaat genereren een plasmagas waar de luchtstroom met daarin de verontreinigingen doorheen wordt gezogen. Het plasmagas breekt het lindaan en PCP chemisch af. Actief koolstoffilters zorgen ervoor dat gasvormige afbraakproducten uit het apparaat kunnen ontsnappen.

Dr. Burdack-Freitag, plaatsvervangend afdelingshoofd en groepsleider Analyse en Toegepaste Sensorsystemen van Fraunhofer IBP brengt de Cyclodextrine-gel aan op een vervuilde houten balk (Foto: Fraunhofer IBP)

De eerste laboratoriumtesten zijn inmiddels succesvol afgerond. De technologie wordt momenteel in de praktijk getest met uitgebreide meettechnologie op de vervuilde zolder van de historische Thürlmühle­molen, die zich op het terrein van projectpartner ‘Freilichtmuseum Glentleiten’ (een openluchtmuseum) bevindt.

Met de laboratoriummethode was het

mogelijk om de bestaande verontreinigingen volledig af te breken; bij de experimenten in de Thürlmühle­molen van het openluchtmuseum Glentleiten is het tot nu toe mogelijk geweest de concentratie van verontreinigende stoffen met tweederde te verminderen. In eerdere tests is de formule echter slechts dun aangebracht op zichtbare houten oppervlakken. Als de lak dikker wordt aangebracht, kan de concentratie verontreinigingen nog verder worden verlaagd. Na de tests was er geen sprake van schimmelvorming en had de formule het hout ook niet beschadigd. Bij langdurige tests onderzoeken de IBP­onderzoekers nu hoe lang de CD­laag stabiel blijft en of er op de lange termijn verontreinigingen ontsnappen. Er starten ook tests met de gecombineerde adsorber­ en plasmatechnologie. Daarnaast worden er tests uitgevoerd met kompressen gedrenkt in de CD­formule (een klassieke restauratietechniek) die om de houten balken worden gewikkeld en vervolgens worden verwijderd.

De tekst is gebaseerd op een oorspronkelijk artikel van Fraunhofer>

Bioreceptieve gevels voor stedelijke omgevingen

Respyre presenteerde afgelopen november een duurzame gevelbekleding: VertiScape, Het gaat om gevelplaten van duurzaam beton met levend mos. Het betonmengsel waarvan het wordt gemaakt is voor 90 procent circulair. Daarmee krijgt oud puin een nieuwe bestemming en wordt de uitstoot van CO2 verminderd. Bovendien wordt gedurende de levensduur van de gevel CO2 in het beton vastgelegd als kalk, waardoor het een CO2­negatief materiaal wordt.

Klimaatverandering, maar ook de toenemende bevolking stelt nieuwe eisen aan de inrichting van stedelijke gebieden. Daarmee neemt de interesse van natuurinclusief bouwen toe. Gemeenten beginnen steeds meer groene gebieden op te nemen in de stedelijke planning, zoals Amsterdam met haar Green Space­beleid. De overheid heeft als doel innovatieve stadsprojecten te subsidiëren, en veel architecten zoeken ook naar duurzame alternatieven. De verwachting

is dat ‘biophilic design’ de komende jaren steeds belangrijker zal worden in de architectuur. ‘Biophilic design’ is een concept dat binnen de bouwsector wordt gebruikt om de verbinding van bewoners met de natuurlijke omgeving te vergroten door het gebruik van directe of indirecte natuur. Het zou voor de bewoners belangrijke gezondheids­, milieu­ en zelfs economische voordelen opleveren.

VertiScape

Respyre's gevelpanelen zijn een groene vorm van muurdecoratie, omdat het materiaal voor 90 tot 95 procent circulair is. De bioreceptieve gevels van Respyre kunnen worden toegepast in bestaande constructies of ze kunnen worden gebruikt in nieuwe gebouwen als prefab product. VertiScape is enorm poreus en heeft een hobbelig oppervlak, wat de waterstroom en retentie optimaliseert. Dat resulteert in de ideale omgeving

voor mosgroei. Om de groei te versnellen kan een biostimulerende gel worden aangebracht.

Bij de productie van VertiScape komt maar weinig CO2 vrij en tijdens de levensduur legt het bovendien ook nog eens CO2 vast door carbonatie van het materiaal. Ook zijn mossen zelf enorm efficiënt in het opnemen van CO2.

Aangezien mossen geen typisch wortelsysteem hebben maar rhizoïden (die ze gebruiken om zich aan het beton te hechten) beschadigen ze de onderliggende structuur niet. Sterker nog, het mos vormt een beschermende laag op de bioreceptieve panelen. Omdat mos voornamelijk zelfvoorzienend is, zijn de onderhoudskosten lager in vergelijking met andere levende muuroplossingen.

Luchtzuiverend

Stedenbouwkundigen staan voor veel uitdagingen: hoe gaan we om met de wateroverlast en vervuiling en hittegolven in steden? Hierin kunnen de VertiScape gevels een interessante rol spelen. De muren kunnen een grote hoeveelheid water absorberen, waardoor ze de waterstroom verminderen tijdens hevige regenval. Bovendien helpt de verdamping van dit opgeslagen water om hoge temperaturen in de stad te verminderen. Het verkoelende effect van moswanden zorgt ervoor dat de buitenomgeving comfortabeler en aangenamer wordt. Hetzelfde geldt voor geluidsoverlast, omdat mos natuurlijke geluidsabsorberende eigenschappen bezit en een effectieve oplossing kan zijn voor het verlagen van geluidsreflecties in stedelijke en voorstedelijke omgevingen. Het klassieke grijze geluidsscherm kan eenvoudig worden vervangen door een groen, met mos begroeid geluidsscherm. Datzelfde geldt ook voor andere bouwelementen in stedelijke gebieden.

Bovendien is een van de meest essentiele voordelen dat mos de lucht zuivert. Mossen absorberen van nature vervuilende stoffen, zoals fijnstof, waardoor deze groene installaties een waardevolle bijdragen leveren aan het verbeteren van de luchtkwaliteit in buitenruimtes.

Meer bij Respyre>

Nieuwe methode om biokoolstof te produceren

TNO heeft een proces ontwikkeld ­ EnerChar ­ om ‘schone’ (of ‘groene’) koolstof te maken. Koolstof is een veel toegepast materiaal, maar komt meestal van fossiele bronnen. De methode maakt het mogelijk om op grote schaal biokoolstof te produceren met excact in te stellen eigenschappen. Het proces is gebaseerd op vergassing van biomassa (houtresten, maar ook reststromen uit de voedingsindustrie). Bij de productie van deze biokoolstof wordt tegelijkertijd ook warmte opgewekt die voor het proces zelf kan worden ingezet, terwijl de CO2 uit de schoorsteen wordt afgevangen en opgeslagen. Het gebruik van biokoolstof kan volgens TNO een grote bijdrage leveren aan vermindering van het fossiele koolstof gebruik en dus aan reductie van CO2­uitstoot.

Met de door TNO ontwikkelde technologie worden afvalresten uit de tuin­ en bosbouw en voedingsindustrie vergast op een rooster, zoals die ook in de afvalverbranding worden gebruikt. Bij het verhitten van hout of andere biomassa gaat het ontgassen. Eerst komt het water in de vorm van waterdamp vrij, daarna ook allerlei omzettingsproducten in de

vorm van koolwaterstoffen. Houtresidu bevat namelijk veel koolstof en waterstof. Koolwaterstoffen zijn brandbaar. Als er niet te veel water in zit, ontstaat een brandbaar gas uit de verhitte houtresten en biomassa dat als vervanger van fossiele bronnen als olie of aardgas kan dienen.

Elektrische verhitting zonder zuurstof

leidt tot pyrolyse. Maar als er een kleine hoeveelheid zuurstof wordt gebruikt, dan is sprake van vergassing. Voordeel van vergassing is dat een deel van het eigen gas wordt gebruikt voor de verhitting van het proces zelf. Daarom is er geen externe energiebron nodig en blijft er bij een voldoende grote installatie zelfs nog veel energie over.

Op maat

Afhankelijk van de duur van het proces en de gebruikte temperatuur bevat de vaste stof die overblijft, na de ontgassing, steeds meer koolstof en steeds minder andere elementen zoals waterstof en zuurstof. Naarmate de houtresten op hogere temperaturen worden verhit, groeit het aandeel koolstof in de overblijvende vaste stof tot wel 85 procent. De energie­inhoud van de biokoolstof neemt ook flink toe als de hoeveelheid koolstof in de vaste stof toeneemt. Deze vaste stof behoudt de oude structuur van de biomassa, wat een groot oppervlak oplevert en poreus materiaal. Het is lichtgewicht, kan water opslaan in de poriën en het kan ook materialen aan zich binden en werk doen zoals actief kool bij allerlei zuiveringsprocessen. Op die manier kunnen de eigenschappen van de biokoolstof precies op maat voor een bepaalde toepassing worden geproduceerd. Zo mogen in de tuinbouw geen koolwaterstoffen meer in het koolproduct achterblijven, maar is dat voor gebruik in de staalproductie minder kritisch, omdat rest­koolwaterstoffen

later in het proces worden omgezet. Bijzonder aan het EnerChar­proces is volgens TNO dat het een groot temperatuurbereik heeft (350 ­ 850 °C) en met verschillende gassen kan werken zoals lucht en stoom (maar ook rookgasrecirculatie en CO2). Door daarmee te variëren is het mogelijk om biokoolstof van verschillende kwaliteit te maken voor diverse toepassingen. Bijvoorbeeld voor het vergroenen van de staalindustrie.

Toepassingen

Om staal te maken uit ijzererts zijn grote hoeveelheden koolstof nodig, want staal is een legering van ijzer en koolstof. Om dit proces te vergroenen is biokoolstof uitstekend geschikt. Omdat er grote hoeveelheden nodig zijn, is schaalbaarheid van de technologie belangrijk. De Enerchar­methode kan gemakkelijk worden opgeschaald. Op kleinere schaal heeft de technologie zich al bewezen. De volgende stap is om in een demonstratieproject aan te tonen dat het ook volcontinue en kosteneffectief kan.

Een andere toepassing is biokoolstof voor batterijen. De anode van batterijen

wordt meestal gemaakt van natuurlijke grafiet uit mijnen, maar dat is beperkt beschikbaar. Het wordt ook met veel energie en chemicaliën geproduceerd uit fossiele olieresten. TNO is daarom recent begonnen met het maken van biografiet, biokoolstof voor batterijen. Enerchar koolstof is ook in te zetten als alternatief voor veen­potgrond in de tuinbouw, waarvoor nu grootschalig veen wordt afgegraven. Omdat veen veel CO2 kan opslaan, zal een alternatief voor het gebruik van veen een flinke bijdrage leveren aan de CO2­huishouding. Uit proeven die TNO de afgelopen jaren met Wageningen UR en de Vlaamse onderzoeksinstelling ILVO heeft gedaan, is gebleken dat de in de pilot geproduceerde biokoolstof tussen de 30 en 50 procent van het veen in de potgrond kan vervangen. Na gebruik kan het met compost weer de bodem in en is het geschikt om in deze vorm CO2 uit de lucht op te slaan als vaste koolstof in de bodem. Daarmee is er sprake van negatieve emissie.

Meer bij TNO>

Slimme coating visualiseert onzichtbare gebreken constructies

Sensortechnieken die worden gebruikt om de conditie van een constructie te bepalen zijn vaak duur, complex en kosten veel energie. Mohammad Fotouhi, assistant professor in Structural Health Monitoring bij TU Delft, werkt aan een innovatief kosteneffectief coatingmateriaal dat van kleur verandert als een vroegtijdig waarschuwingssysteem, en zo ruim van tevoren kwetsbaarheden zichtbaar maakt. Deze slimme en duurzame techniek is al geschikt voor gebruik, om bijvoorbeeld de staat van (oude) bruggen te bepalen. Met meer onderzoek hoopt Fotouhi de sensorfunctie verder te verbeteren en industrieën te stimuleren om innovatieve materialen te gebruiken.

Wat is de overeenkomst tussen de edelsteen opaal en een kameleon? Ze kunnen allebei van kleur veranderen. Externe factoren zoals warmte (opaal) of gevaar (bij de kameleon) zorgen ervoor dat licht op een andere manier op het

oppervlak reflecteert, wat resulteert in kleurverandering. Dit natuurfenomeen vormde voor Mohammad Fotouhi de inspiratie voor een innovatieve technologie: sensormateriaal dat aan de hand van kleurverandering laat zien of een

constructie kritieke schade heeft of dat de resterende levensduur van structuren aangeeft, zogenaamde dunlaagse hybride mechanochrome composietsensoren. Fotouhi deed zijn ontdekking tijdens een onderzoeksproject aan de University

of Bristol op het gebied van composiet. Met zijn team werkte hij aan de ontwikkeling van een nieuw composiet materiaal, bestaande uit koolstofvezels. Bij het testen hiervan werd duidelijk dat het materiaal niet alleen heel sterk was, maar ook van kleur veranderde wanneer het mechanisch werd belast. Dat vormde een trigger voor meer onderzoek naar deze eigenschap en de potentie hiervan. Bijvoorbeeld door deze functionaliteit in te zetten als visueel afleesbare sensor.

De conditie van een constructie bepalen Fotouhi houdt zich onder meer bezig met onderzoek naar hoe de conditie van een constructie het beste gemonitord kan worden. Door structurele belasting, statische en cyclische krachten kan een constructie beschadigd raken of zelfs breken. Wanneer er goed zicht is op de staat van het materiaal, is vroegtijdig in te schatten in hoeverre onderhoud of een andere ingreep zoals reparatie nodig is. In sommige gevallen kan dat van levensbelang zijn. Denk aan een beschadigde vleugel van een vliegtuig of een brug die op instorten staat.

Huidige technologieën kosten veel geld en energie

Kritieke constructies zoals bruggen en windturbines kunnen het plotseling

begeven zonder enige zichtbare waarschuwing. Een voorbeeld hiervan is de instorting van een brug in Italië in 2018 waarbij 43 mensen om het leven kwamen. Voor het vaststellen van de fysieke conditie worden momenteel verschillende diagnostische hulpmiddelen gebruikt die werken op basis van trillingen, akoes­

tische emissie en ultrasone signalen. De informatie die deze instrumenten verzamelen, geven samen een goed beeld van de toestand. Maar er zitten ook nadelen aan deze technologieën, zoals de hoge kosten, de energie die nodig is en onbetrouwbare detectie op de lange termijn. Sensoren zijn bijvoorbeeld uitgerust met batterijen en kabels. Daarnaast moeten alle verzamelde data ergens worden opgeslagen en verwerkt. Verder zijn inspecties bij sommige constructies tijdrovend en complex en zijn er gespecialiseerde inspecteurs nodig die samples uit het materiaal nemen voor een analyse.

De kracht van eenvoud

Wat Fotouhi vooral fascineert aan de technologie is de eenvoud ervan. Veel huidige technologieën zijn slim en handig, maar ook erg complex en duur. Hij wil laten zien dat ook met relatief eenvoudige en goedkope technieken oplossingen geboden kunnen worden voor vraagstukken. De buitenlaag van het materiaal bestaat uit een dunne laag koolstofvezel en glas. Onder kritieke toestand, bijvoorbeeld bij een hoge belasting, ontstaan er patronen met kleurverschillen. Het materiaal wordt dan ­ afhankelijk van de belastingsteeds donkerder van kleur.

De sensorsystemen waar Fotouhi aan

werkt, zijn gemaakt met behulp van commerciële prepregs en het detectiemechanisme wordt geactiveerd via breuk. Het principe werkt op basis van delaminatie. Het verkleuringseffect wordt bereikt door de juiste materiaaleigenschappen te kiezen, de relatieve dikte van het materiaal met lage spanning tot de dikte van het materiaal met hoge spanning en de absolute dikte van het materiaal met lage spanning. Hybride sensoren kunnen ook worden gebruikt voor het monitoren van de vermoeiing in het materiaal en de levensduur. Er zijn ook multidirectionele pseudo­ductiele dunlaagse hybridelaminaten met verbeterde ductiliteit en kerf­ongevoeligheid ontwikkeld. Deze multidirectionele laminaten vertoonden vergelijkbare schademechanismen als de unidirectionele laminaten, maar hebben het voordeel dat ze het verloop van de schade kunnen monitoren, omdat de schade rond de inkepingen kan worden waargenomen voordat er een catastrofale storing optreedt.

Birdstrike

Door middel van simulaties en experimenten is de werking van het sensormateriaal getest. Ze hebben bijvoorbeeld van verschillende hoogtes gewichten op composieten panelen laten vallen. Zo is de impact van gebeurtenissen uit de praktijk nagebootst. Een goed voorbeeld hiervan is een ‘bird strike’, een incident waarbij een vliegtuig in aanraking komt met vogels. Dit veroorzaakt vaak interne schade aan het toestel die met het blote oog niet te zien zijn. Maar als de buitenste laag van het toestel wordt voorzien van het sensormateriaal is de impact dus direct zichtbaar aan de hand van kleurverschillen aan het oppervlak.

Innovatie uitdaging

Misschien nog wel meer dan voor de luchtvaartsector, biedt de innovatie uitkomst voor de bouw. Nieuwe duurzame materialen en oplossing bestaan, maar de vraag is of de sector ze betrouwbaar genoeg vindt. Het blijkt lastig iets nieuws te introduceren in de bouwwereld. Er moet worden aangetoond dat een nieuw materiaal voor hele lange tijd op een betrouwbare manier meegaat. Nauwkeurige monitoring kan die sector hopelijk over de streep trekken om deze duurzamere en innovatieve materialen te gebruiken. Wat volgens Fotouhi enorm helpt, is dat industrieën helpen bij het verder ontwikkelen van het sensormateriaal.

Kosteneffectieve en betrouwbare oplossingen zijn essentieel voor structurele gezondheidsmonitoring

Nog slimmer

Ondertussen werkt Fotouhi aan het nog slimmer maken van het sensormateriaal. Zo onderzoekt hij het effect van het aanbrengen van meerdere sensorlagen. Hiermee hoopt hij het materiaal een soort eenvoudig visueel afleesbaar geheugen te kunnen geven. Uit de lagen zijn dan verschillende fasen te onderscheiden waar het materiaal doorheen is gegaan. Dit geeft bijvoorbeeld informatie over het aantal keer dat er een bepaalde belasting op heeft gerust en wanneer die belasting heeft plaatsgevonden.

Bron: TU Delft

Fotograaf: Adam Klugkist

3D-printbaar materiaal voor de next gen OLED-schermen

Een onderzoeksteam onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft een ‘supramoleculaire inkt’ ontwikkeld waarmee OLED­displays (organic light­emitting diode) kunnen worden ge3D­print. De nieuwe supramoleculaire inkt is gemaakt met goedkope elementen in plaats van schaarse en dure metalen. Het zou meer betaalbare en ecologisch duurzame platte beeldschermen en elektronische apparaten mogelijk kunnen maken.

Organische moleculen

Veel smartphones of flatpanel­tv’s zijn tegenwoordig voorzien van een OLED­scherm. OLED’s zijn in opmars binnen de beeldschermmarkt omdat ze lichter en dunner zijn, minder energie verbruiken en een betere beeldkwaliteit hebben dan andere flatpaneltechnologieën. Dat komt omdat OLED's kleine organische moleculen bevatten die direct licht uitstralen, waardoor er geen extra achtergrondverlichtingslaag nodig is, zoals bij een liquid crystal display (LCD).

OLED's kunnen echter zeldzame, dure metalen zoals iridium bevatten.

Supramoleculaire assemblage

Het nieuwe materiaal bestaat uit poeders die hafnium (Hf) en zirkonium (Zr) bevatten en die bij lage temperaturen ­ tussen de 20 en 80 °C ­ kunnen worden opgelost tot een ‘halfgeleider inkt’. Kleine moleculaire ‘bouwsteen­structuren’ in de inkt assembleren zichzelf; een proces dat de onderzoekers supramoleculaire assemblage noemen.

Uit spectroscopie­experimenten bleek dat de supramoleculaire inktcomposieten zeer efficiënte emitters van blauw en groen licht zijn ­ twee belangrijke parameters die nodig zijn voor een potentiële toepassing van het materiaal als een energiezuinige OLED­emitter. De onderzoekers maakten vervolgens een prototype van een dunne­filmdisplay van de composietinkt. Uit experimenten bleek dat het materiaal geschikt is voor programmeerbare elektronische displays en dat de supramoleculaire inkt ook compatibel is met 3D­printtechnologieën.

Daarmee zou de supramoleculaire inkt ook kunnen worden gebruikt in een veel breder toepassingsgebied, zoals verlichting in hightech kleding en elektronische apparaten.

De resultaten van het onderzoek werden afgelopen januari gepubliceerd in Science onder de titel ‘Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near­unity photoluminescence’

DOI: 10.1126/science.adi4196

Meer bij Berkeley Lab>

AI-tool ontdekt realistische 'metamaterialen' met ongewone eigenschappen

Een coating die objecten onzichtbaar maakt, of een implantaat dat zich precies zo gedraagt als botweefsel. Deze bijzondere objecten zijn al gemaakt van 'metamaterialen'. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een AI­tool ontwikkeld die niet alleen dit soort bijzondere materialen kan ontdekken, maar ze ook maakbaar en duurzaam ontwerpt. Dit biedt de mogelijkheid producten met ongekende eigenschappen te maken. Ze publiceerden hun bevindingen in Advanced Materials.

De eigenschappen van normale materialen, zoals stijfheid en flexibiliteit, worden bepaald door de moleculaire samenstelling van het materiaal, maar de eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de geometrie van de structuur waaruit ze zijn opgebouwd. Onderzoekers ontwerpen deze structuren digitaal en laten ze vervolgens 3D­printen. De resulterende metamaterialen kunnen onnatuurlijke en extreme eigenschappen vertonen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld metamaterialen ontworpen die, ondanks dat ze solide zijn, zich gedragen als een vloeistof.

Volgens hoogleraar Amir Zadpoor van de afdeling Biomechanical Engineering gebruiken ontwerpers normaal gesproken de materialen die ze tot hun beschikking hebben om een nieuw apparaat of een machine te ontwerpen. Probleem daarbij is dat de beschikbare materiaaleigenschappen beperkt zijn. Sommige eigenschappen bestaan gewoon niet in de natuur. De aanpak van Zadpoor en zijn team is: vertel wat je als eigenschappen wilt hebben en het team ontwikkelt een geschikt materiaal met die eigenschappen. Het resultaat is niet echt een materiaal, maar iets dat het midden houdt tussen een structuur en een materiaal: een metamateriaal.

Zo'n ontdekkingsproces van materialen vereist het oplossen van een zogenaamd omgekeerd probleem: het probleem van het vinden van de geometrie die de gewenste eigenschappen oplevert. Zulke ‘omgekeerde’ problemen zijn berucht vanwege hun complexiteit, en dat is waar AI om de hoek komt kijken. Onderzoekers van de TU Delft hebben deep learning­modellen ontwikkeld die deze inverse problemen oplossen.

Zelfs als dergelijke omgekeerde problemen in het verleden werden opgelost, waren ze beperkt door de vereenvoudigende aanname dat de kleinschalige geometrie kan worden gemaakt van een oneindig aantal bouwstenen, zegt eerste auteur dr. Helda Pahlavani. Het probleem met die aanname is dat metamaterialen meestal gemaakt worden door 3D­printen en echte 3D­printers een beperkte resolutie hebben, waardoor het aantal bouwstenen dat in een apparaat past beperkt is.

Nieuwe weg

De AI­modellen die de TU Delft­onderzoekers hebben ontwikkeld, slaan een nieuwe weg in door deze vereenvoudigende aannames te omzeilen. De vraag kan simpelweg zijn: ‘hoeveel bouwste­

nen kun je met jouw productietechniek in het apparaat verwerken?’ Het model vindt vervolgens de geometrie die de gewenste eigenschappen geeft voor het aantal bouwstenen dat daadwerkelijk kan worden gemaakt.

Duurzaam

Een praktisch probleem dat in eerder onderzoek onderbelicht bleef, was de duurzaamheid van metamaterialen. De meeste bestaande ontwerpen falen zodra ze een paar keer zijn gebruikt. Tot nu toe ging het alleen om de eigenschappen die bereikt kunnen worden. De recente studie houdt rekening met duurzaamheid en selecteert de meest duurzame ontwerpen uit een grote pool van ontwerpkandidaten. Dat maakt de ontwerpen volgens Zadpoor echt praktisch en niet alleen theoretische avonturen. De mogelijkheden van metamaterialen lijken eindeloos, maar het volledige potentieel is nog lang niet benut. Volgens universitair docent Mohammad J. Mirzaali komt dat doordat het vinden van het optimale ontwerp van een metamateriaal op dit moment nog grotendeels gebaseerd is op intuïtie, gepaard gaat met vallen en opstaan en daardoor arbeidsintensief is. Het gebruik van een omgekeerd ontwerpproces, waarbij de

gewenste eigenschappen het uitgangspunt van het ontwerp vormen, is nog steeds zeldzaam binnen het metamateriaalveld.

De onderzoekers denken dat de stap die ze hebben gezet, revolutionair is voor metamaterialen. Het kan tot allerlei nieuwe toepassingen leiden, zoals orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten, zachte robots, adaptieve spiegels en exo­skeletten.

Tekst TU Delft>

Het onderzoek verscheen inmiddels in Advanced Materials onder de titel ‘Deep Learning for Size-Agnostic Inverse Design of Random-Network 3D Printed Mechanical Metamaterials’. Het is online>

Programma voor groen staal kan van start

Het programma Groeien met Groen Staal heeft op 12 februari de officiële goedkeuring ontvangen voor een subsidie van meer dan 100 miljoen euro uit het Nationaal Groeifonds. Het programma heeft tot doel wetenschappelijke kennis en technologie te ontwikkelen voor duurzame staalproductie. De goedkeuring betekent dat dit acht­jarige programma, dat is ontwikkeld door een consortium van 31 partijen onder leiding van het Materials innovations institute (M2i), van start gaat.

Staalproductie is goed voor 7 procent van de wereldwijde CO2­uitstoot. Dat

moet en kan groener. Daarom bundelen 31 partijen, zowel onderzoeksinstellingen als bedrijven, hun krachten om een nieuwe reeks technologieën op basis van waterstof, hernieuwbare energie en circulaire ijzer­ en staalverwerking te ontwikkelen. Het ultieme doel is een CO2­neutrale staalsector in 2050.

Het programma richt zich op een transformatie van de gehele staalcyclus in Nederland. Het onderzoekt onder meer hoe waterstof en meer recycling kan worden gebruikt om schoner staal te maken, maar ook hoe de nieuwe proces­

sen hoogkwalitatief staal kunnen produceren. Want al deze aanpassingen in de staalproductie hebben effect op het eindproduct. Door een veranderende chemische samenstelling krijgt het staal andere eigenschappen, zoals sterkte en roestbestendigheid. Dit betekent dat groen staal niet alleen effect zal hebben op de staalproductiebedrijven, maar op de hele staalverwerkende industrie, van windturbines tot frisdankblikjes, en daarmee op de samenleving.

Meer bij M2i>

Publicaties

A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries

ACS, January 2024

Eliminating the use of critical metals in cathode materials can accelerate global adoption of rechargeable lithium­ion batteries. Organic cathode materials, derived entirely from earth­abundant elements, are in principle ideal alternatives but have not yet challenged inorganic cathodes due to poor conductivity, low practical storage capacity, or poor cyclability. Here, a layered organic electrode material was discribed, whose high electrical conductivity, high storage capacity, and complete insolubility enable reversible intercalation of Li+ ions, allowing it to compete at the electrode level, in all relevant metrics, with inorganic­based lithium­ion battery cathodes. Our optimized cathode stores 306 mAh g–1cathode, delivers an energy density of 765 Wh kg–1cathode, higher than most cobalt­based cathodes, and can charge­discharge in as little as 6 min. These results demonstrate the operational competitiveness of sustainable organic electrode materials in practical batteries.

The article is online>

Programmable Matter with Free and High-Resolution Transfiguration and Locomotion

Advanced Functional Materials, December 2023

Programmable matter that allows free shape transfiguration and locomotion on command promises ubiquitous access to objects or functions of interest. Current approaches for the autonomous reshaping of solid objects (smart materials, soft actuators, modular robotics) are limited in spatial resolution and shape. Solid­liquid phase change pumping as a mechanism for the contactless transfiguring and locomotion of solid objects is introduced. Thin objects are deformed into any intended shape with sub­millimeter resolution and the ability to freely change their topology is demonstrated, including adding or removing holes, splitting and merging. The unique locomotion of objects through millimeter­sized constrictions narrower than their body size is demonstrated, followed by restoring the original shape. This approach opens up avenues for developing autonomous programmable matter with free shape transfiguration.

The article is online>

Extended detailed balance modeling toward solar cells with cement-based radiative coolers

Photovoltaics, December 2023

Reducing the temperature of a solar cell increases its efficiency and lifetime. This can be achieved by radiative cooling, a passive and simple method relying on materials that dump heat into outer space by thermal emission within the atmosphere transparency window between 8 and μ. As most radiative coolers are expensive or possibly UV unstable, the researchers recently proposed cement­based solutions as a robust and cost­effective alternative. However, the assessment model used describes the cell in the radiative limit and with perfect thermal coupling to the cooler, in line with the literature. In this work, these two approximations, were lifted by incorporating Auger and Shockley­Read­Hall nonradiative recombination and a finite heat transfer coefficient at the cell/cooler interface, to obtain a thermal description of the cell/cooler stack closer to reality, while preserving the universality and transparency of the detailed­balance approach. This model was used to demonstrate that the cell performance gains provided by a radiative cooler are underestimated in the radiative limit and are hence more prominent in devices with stronger nonradiative recombination. Furthermore, the relation between cell temperature and heat transfer coefficient at the cell/cooler interface was quantified. The extended model developed, and the resulting observations provide important guidelines toward the practical realization of novel radiative coolers for solar cells, including cement­based ones.

The article is online>

Working principle of a photovoltaic system with radiative cooler. The energy exchange terms between solar cell, radiative cooler, environment, and end user are depicted, together with the possible thermal resistance at the interface between cell and cooler. These do not exchange energy by radiation because they operate in separate ranges of the electromagnetic spectrum, namely UV-visible and IR, respectively. Here, the cooler is depicted below because this geometry is expected to be more feasible with cement-based materials, in particular in the context of building-integrated photovoltaic systems. For simplicity, a mirror with ideal reflection and thermal insulation properties is placed at the bottom of the device.

Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction

Nature, January 2024

Red mud is the waste of bauxite refinement into alumina, the feedstock for aluminium production. With about 180 million tonnes produced per year, red mud has amassed to one of the largest environmentally hazardous waste products, with the staggering amount of 4 billion tonnes accumulated on a global scale. Here is presented how this red mud can be turned into valuable and sustainable feedstock for ironmaking using fossil­free hydrogen­plasma­based reduction, thus mitigating a part of the steel­related carbon dioxide emissions by making it available for the production of several hundred million tonnes of green steel. The process proceeds through rapid liquid­state reduction, chemical partitioning, as well as density­driven and viscosity­driven separation between metal and oxides. The research shows the underlying chemical reactions, pH­neutralization processes and phase transformations during this surprisingly simple and fast reduction method. The approach establishes a sustainable toxic­waste treatment from aluminium production through using red mud as feedstock to mitigate greenhouse gas emissions from steelmaking.

The article is online>

High-quality semiconductor fibres via mechanical design

Nature, January 2024

Recent breakthroughs in fibre technology have enabled the assembly of functional materials with intimate interfaces into a single fibre with specific geometries, delivering diverse functionalities over a large area, for example, serving as sensors, actuators, energy harvesting and storage, display, and healthcare apparatus. As semiconductors are the critical

component that governs device performance, the selection, control and engineering of semiconductors inside fibres are the key pathways to enabling high­performance functional fibres. However, owing to stress development and capillary instability in the high­yield fibre thermal drawing, both cracks and deformations in the semiconductor cores considerably affect the performance of these fibres. Here the research reports a mechanical design to achieve ultralong, fracture­free and perturbation­free semiconductor fibres, guided by a study on stress development and capillary instability at three stages of the fibre formation: the viscous flow, the core crystallization and the subsequent cooling stage. Then, the exposed semiconductor wires can be integrated into a single flexible fibre with well­defined interfaces with metal electrodes, thereby achieving optoelectronic fibres and large­scale optoelectronic fabrics. This work provides fundamental insights into extreme mechanics and fluid dynamics with geometries that are inaccessible in traditional platforms, essentially addressing the increasing demand for flexible and wearable optoelectronics.

The article is online>

Lignin-Derived Ionic Conducting Membranes for Low-Grade Thermal Energy Harvesting Advanced Functional Materials, December 2023

Wood­based ionic conductive membranes have emerged as a new paradigm for low­grade thermal energy harvesting applications due to their unique andtailorable structures. Herein, a lignin­derivedionic conducting membrane with hierarchical aligned channels is synthesized viaa double network crosslinking approach. Their excellent thermal stability and superior swelling ratio allow their optimization as low­grade heat recovery technologies. Several vertically aligned nanoscaleconfinements are found in the synthesized membranes, contributing towardenhanced ionic diffusion. Among all the combinations, the membrane comprising 69.2 wt.% of lignin and infiltrated with 0.5 m KOH exhibits anexceptional ionic figure of merit (ZTi) of 0.25, relatively higher ionic conductivity (51.5 mS cm‒1), lower thermal conductivity (0.195 W m‒1·K), and a remarkable ionic Seebeck coefficientof 5.71 mV K‒1 under the application of an axialtemperature gradient. A numerical model is also utilized to evaluate theveracity of experimental observations and to gain a better understanding of thefundamental mechanisms involved in attaining such values. These results displaythe potential of lignin­based membranes for future thermal energy harvesting applications and are a new facetin thermoelectric energy conversion which is certain to pave the way forfurther investigations on sustainable ionic conductive membranes.

The article is online>

Fabrication of mycelium (oyster mushroom)based composites derived from spent coffee grounds with pineapple fibre reinforcement Mycology, November 2023

Mycelium­based composites (MBCs) are eco­friendly materials made by combining mushroom mycelia with lignocellulosic biomass, offering diverse applications such as packaging and construction. The specific characteristics of MBCs can be significantly influenced by the choice of substrates and reinforcing materials during myco­fabrication. This study aims to improve MBCs sourced from Pleurotus ostreatus (oyster mushroom) using spent coffee grounds (SCGs) as the main substrate, combined with natural pineapple fibres (NPFs). NPFs are incorporated to SCGs in different proportions (10 % to 30 %) to explore their potential in improving the material properties of MBCs. The findings demonstrate that the mechanical properties of MBCs, as well as the physical and chemical properties, can be altered by manipulating the proportion of NPFs. The MBCs reinforced with 10 % NPFs exhibit the highest density and compressive strength, while the MBC with 30 % NPFs outperforms others in terms of bending strength, water absorption, swelling, and sound absorption. Furthermore, a fire resistance test affirms the non­combustible properties of the MBC made of SCGs and NPFs, thereby demonstrating its safety features. These MBCs, made from oyster mushroom, embody a hopeful substitute for product creation and production in relation to practical usage, eco­friendly manufacturing techniques, and recyclability throughout its lifecycle.

The article is online>

Composites derived from the mycelium Pleurotus ostreatus cultivated on spent coffee ground (SCG) treatments, incubated in petri dishes at a temperature range of 27–30 °C in darkness, using 10% NPFs (a, d, g), 20% NPFs (b, e, h), and 30 % NPFs (c, f, i). 7 days (a–c), 14 days (d–f), and 28 days (g–i) of culture incubations.

A generative artificial intelligence framework based on a molecular diffusion model for the design of metal-organic frameworks for carbon capture Communications Chemistry, February 2024

Metal­organic frameworks (MOFs) exhibit great promise for CO2 capture. However, finding the best performing materials poses computational and experimental grand challenges in view of the vast chemical space of potential building blocks. Here, we introduce GHP­MOFassemble, a generative artificial intelligence (AI), high performance framework for the rational and accelerated design of MOFs with high CO2 adsorption capacity and synthesizable linkers. GHP­MOFassemble generates novel linkers, assembled with one of three pre­selected metal nodes (Cu paddlewheel, Zn paddlewheel, Zn tetramer) into MOFs in a primitive cubic topology. GHP­MOFassemble screens and validates AI­generated MOFs for uniqueness, synthesizability, structural validity, uses molecular dynamics simulations to study their stability and chemical consistency, and crystal graph neural networks and Grand Canonical Monte Carlo simulations to quantify their CO2 adsorption capacities. We present the top six AI­generated MOFs with CO2 capacities greater than 2m mol g−1, i.e., higher than 96.9 % of structures in the hypothetical MOF dataset.

The article is online>

Degrees of hornification in softwood and hardwood kraft pulp during drying from different solvents

Cellulose, January 2024

Hornification, a complex phenomenon occurring during drying of lignocellulosic materials because of formation of irreversible chemical bonds, remains a subject of scientific interest. This study aims to shed light on the underlying mechanisms of hornification by investigating interactions between the liquid and solid phases through a solvent exchange treatment. The treatment involved replacing water with various solvents in suspensions of never­dried cellulose samples, including alcohols (methanol, ethanol, isopropanol) capable of forming hydrogen bonds, albeit to a lesser extent than water, as well as non­alcohol solvents (acetone, ethyl acetate, toluene, heptane) that do not possess the ability to form chain of hydrogen bond, and no hydrogen bond between each other. The impact of solvents on the hornification process was evaluated using WRV measurements. Our findings reveal that water, as a solvent, plays a dominant role in the hornification process, primarily due to its excellent capability to form bridges of hydrogen bonds. In comparison, hornification with alcohols was considerably lower than with water, likely attributed to the smaller ability of alcohols to engage in such interactions. Furthermore, our results indicate a tendency for reduced hornification also

when using non­hydrogen bond solvents with decreased polarity. This strengthens the hypothesis related to chains of hydrogen bonds. Additionally, the interaction between hydrophobic surfaces on cellulose through hydrophobic interactions could provide another plausible explanation.

The article is online>

Hypothetical role of water in the hornification process. The hydroxyls of cellulose surfaces (red) forms hydrogen bonds to water (blue). When water gradually is evaporated the water tends to form 'chains' between the surfaces. When more water is evaporated the chains draw the surfaces closer to each other, and eventually multiple hydrogen bonds are formed directly between cellulose surfaces

Hot-rolling process and properties of large thickness ratio Al/Mg/Al laminates

Transactions of Nonferrous Metals Society of China, December 2024

Large thickness ratio Al/Mg/Al laminates with the initial thickness ratio (ITR, the ratio of initial thickness of a single Mg layer to initial thickness of a single Al layer) ranging from 5 to 40 were prepared by hot rolling. The effects of ITR on the stress and strain fields, microstructure evolution and properties of Al/Mg/Al laminates were investigated by means of simulations and experiments. The results show that with increasing ITR, the ultimate tensile strength and yield strength of the laminates increase, while the interfacial bonding strength and elongation increase first and then decrease, and reach their maximum values of 12.3 N/mm (peel strength) and 23.32%, respectively, when the ITR is 20. At this time, the laminates have the best comprehensive mechanical properties, the deformation coordination ability between component metals is the best, and the texture on the Al side changes to shear texture. After the ITR reaches 40, the bonding performance of the laminates decreases, and the performance of the magnesium alloy is dominant.

The article is online>

Sustainable Soft Electronics Combining Recyclable Metal Nanowire Circuits and Biodegradable Gel Film Substrates

Advanced Electronic Materials, January 2024

Direct disposal of used soft electronics into the environment can cause severe pollution to the ecosystem due to the inability of most inorganic materials and synthetic polymers to biodegrade. Additionally, the loss of the noble metals that are commonly used in soft electronics leads to a waste of scarce resources. Thus, there is an urgent need to develop 'green' and sustainable soft electronics based on eco­friendly manufacturing that may be recycled or biodegraded after the devices’ end of life. Here an approach to fabricating sustainable soft electronics is demonstrated where the expensive functional materials can be recycled and the soft substrate can be biodegradable. A stretchable agarose/glycerol gel film is used as the substrate, and silver nanowires (AgNWs) are printed on the film to fabricate the soft electronic circuits.

The mechanical and chemical properties of the agarose/ glycerol gel films are characterized, and the functionality of the printed AgNW electrodes for electrophysiological sensors is demonstrated. The demonstration of the biodegradability of the agarose/glycerol and the recyclability of AgNWs points toward ways to develop sustainable and eco­friendly soft electronics.

The article is online>

Directing CO2 electroreduction pathways for selective C2 product formation using single-site doped copper catalysts

Nature chemical engineering, February 2024

Manipulating the selectivity­determining step in post­C–C coupling is crucial for enhancing C2 product specificity during electrocatalytic CO2 reduction, complementing efforts to boost rate­determining step kinetics. Here we highlight the role of single­site noble metal dopants on Cu surfaces in influencing C–O bond dissociation in an oxygen­bound selectivity­determining intermediate, steering post­C–C coupling toward ethylene versus ethanol. Integrating theoretical and experimental analyses, we demonstrate that the oxygen binding strength of the Cu surface controls the favorability of C–O bond scission, thus tuning the selectivity ratio of ethylene­to­ethanol. The Rh­doped Cu catalyst with optimal oxygen binding energy achieves a Faradaic efficiency toward ethylene of 61.2% and an ethylene­to­ethanol Faradaic efficiency ratio of 4.51 at ­ 0.66 V versus RHE (reversible hydrogen electrode). Integrating control of both rate­determining and selectivity­determining steps further raises ethylene Faradaic efficiency to 68.8% at 1.47 A cm−2 in a tandem electrode. Our insights guide the rational design of Cu­based catalysts for selective CO2 electroreduction to a single C2 product.

The article is online>

Cellulose Fibres Conference 2024

13 ­ 14 maart 2024, Keulen

Fensterbau Frontale

19 ­ 22 maart 2024, Neurenberg

Silicon PV 2024

15 ­ 19 april 2024, Chambery

Manufacturing Technology Conference

16 april 2024, Veldhoven

Maintenance Gorinchem

16 ­ 18 april 2024, Gorinchem

CO2 based Fuels and Chemicals Conference 2024

17 ­ 18 april 2024, München

Hannover Messe 2024

22 ­ 26 april 2024, Hannover

Schweissen 2024

23 ­ 26 april 2024, Wels

Ceramitec 23 ­ 26 april 2024, München

Intermat 2024

24 ­ 27 april 2024, Parijs

BetonTage 2024

14 ­ 16 mei 2024, Ulm

Rapid.Tech 3D

14 ­ 16 mei 2024, Erfurt

GrindingHub 2024

14 ­ 17 mei 2024, Stuttgart

Maakindustrie Expo 2024

15 ­ 16 mei 2024, Hardenberg

Carrefour international du Bois 28 ­ 30 mei 2024, Nantes

SurfaceTechnology Germany 4 ­ 6 juni 2024, Stuttgart

Intertool 2024

4 ­ 7 juni 2024, Wels

Architect@work Germany

5 ­ 6 juni 2024, Munchen

Achema 2024

10 ­ 14 juni 2024, Frankfurt am Main

Renewable Materials 2024

11 ­ 13 juni 2024, Keulen

PCIM Europe

11 ­ 13 juni 2024, Neurenberg

Challenging Glass 9

19 ­ 20 juni 2024, Delft

Plastic Recycling Show Europe

19 ­ 20 juni 2024, Amsterdam

SolGel 2024 International Conference

1 ­ 6 september 2024, Berlijn

Refratechnik - Your partner for future-orientated refractory technology

Refratechnik specialises in the development of innovative refractory systems. With over 70 years of experience, we work closely with our customers to provide tailor­made solutions for industrial furnaces and other industrial applications in a wide range of sectors. We mainly supply the ceramics, aluminium, iron and steel industries.

Our product portfolio for the heavy clay industry includes wall, ceiling and kiln car systems with all the necessary kiln furniture. This makes Refratechnik the only supplier in the world that can supply complete refractory systems for tunnel kilns. We offer kiln furniture and complicated special formats for the refractory protection of industrial plants for various branches of industry. With our precise dry pressing technology, we achieve the dimensional accuracy required for smooth plant operation. Our products are specially designed for high temperatures and aggressive atmospheres to ensure long refractory life. We use high quality material compositions. In technical ceramics, for example, we use high­purity materials based on corun­

dum, mullite or silicon carbide. Our firing capsules withstand strong chemical influences at very high temperatures.

At Refratechnik, we place great emphasis on energy­saving solutions to

meet the demands of sustainability and decarbonisation. Our pioneering grades and formats for tunnel kilns, such as the low­density BURCOLIGHT® material and REFRATHERM® Eco, a CO2­neutral, highly efficient insulation, enable significant energy savings and a reduction in the carbon footprint.

Our team will be happy to advise and work with you to find the optimum solution for your needs.

Hall A4, Booth 319/418

Refratechnik Ceramics GmbH

Barkhausener Strasse 55

D­49328, Melle

T 0049 5427 81 0

F 0049 5427 81 102

E ceramics@refra.com

www.refra.com

CO2-based Fuels and Chemicals Conference 2024

17–18 April • Cologne (Germany)

Pacesetter in Carbon Capture and Utilisation since 2012!

Great visions are becoming real. Business cases and innovations are starting to realise their potential.

• Innovation

• Strategy and Policy

• Biogenic CO2 Sources

• Carbon Capture

• CO2 to Chemicals & Fuels

• CO2 to Polymers & Materials

• CO2 Utilisation Technologies

• Advanced Research in CCU co2-chemistry.eu

Hét expertisecentrum voor materiaalkarakterisering.

Integer, onafhankelijk, objectief onderzoek en advies. ISO 17025 geaccrediteerd.

Wij helpen u graag verder met onderzoek en analyse van uw innovatieve materialen. Bel ons op 026 3845600 of mail info@tcki.nl www.tcki.nl