Een proefopstelling met de nieuwe schokdemper.
UGent

Nieuwe schokdemper op basis van materiaal met kleine poriën en water is duizenden keren herbruikbaar

Onderzoekers van de Universiteit Gent en de University of Oxford hebben ontdekt dat bepaalde materialen met heel kleine, waterafstotende poriën in combinatie met water erg geschikt zijn als schokdemper. De energie van een schok dwingt het water in het lege poriënnetwerk en wordt zo opgevangen. De nieuwe schokdempers hebben twee voordelen: na de schok vloeit het water opnieuw uit het netwerk zodat de schokdemper vele keren opnieuw gebruikt kan worden en naarmate de schok sneller invalt op de demper, wordt een groter deel van de schok geabsorbeerd. 

Als vangrails of valhelmen een grote schok opvangen, zijn ze daarna meestal vervormd en kunnen ze dan ook niet meer opnieuw gebruikt worden. 

Onderzoekers van de UGent hebben nu een mechanisme blootgelegd waarmee een nieuw soort schokdemper gemaakt kan worden die zowel herbruikbaar is als veel efficiënter dan de klassieke dempers. 

De nieuwe schokdempers bestaan uit twee elementen: enerzijds water en anderzijds een materiaal met erg kleine poriën of kooien, een zogenoemd nanoporeus materiaal. Die kooien, die tot honderdduizend keer kleiner zijn dan de dikte van een menselijk haar, zijn waterafstotend en met elkaar verbonden. 

Water en het nanoporeuze materiaal worden samen in een houder gebracht en wanneer die een schok opvangt, wordt de energie van de schok gebruikt om water in de waterafstotende kooien te duwen. Hoe sneller de schok optreedt, hoe meer energie het materiaal absorbeert. Na de schok vloeit het water opnieuw uit de kooien, waarna de hele absorptiecyclus opnieuw kan beginnen en de schokdemper dus opnieuw gebruikt kan worden. 

Wat maakt deze materialen zo efficiënt?

Het waren onderzoekers aan de Universiteit van Oxford die dit nieuwe mechanisme voor het eerst waarnamen in ZIF-8, een bepaald nanoporeus materiaal. Om te begrijpen waarom dit materiaal zo efficiënt mechanische schokken kan opvangen, en vooral waarom het materiaal efficiënter wordt bij snellere schokken, voerden UGent-onderzoekers verschillende uitdagende kwantummechanische simulaties uit.

De sleutel in het verhaal bleek de heel specifieke structuur van ZIF-8 te zijn. Omdat het materiaal bestaat uit met elkaar verbonden, waterafstotende kooien, dringt water nooit spontaan in deze kooien binnen. Het is pas van zodra er voldoende druk op het materiaal wordt uitgeoefend, bijvoorbeeld door een mechanische schok, dat de eerste watermoleculen ondanks het waterafstotend karakter van het materiaal toch binnendringen in de kooien. 

Waterstofbruggen - bindingen tussen elektronenparen waarbij geen elektron wordt uitgewisseld - zorgen er dan voor dat de moleculen zich binnen die kooien in kleine groepjes organiseren. Van zodra zo’n groepje voldoende groot wordt – vanaf een vijftal watermoleculen – wordt het veel gemakkelijker om extra watermoleculen in de kooien te laten binnendringen, tot ze uiteindelijk het volledige materiaal vullen.

Dit ganse proces neemt wel wat tijd in beslag. Als de mechanische impact te snel invalt op het materiaal, is er dus onvoldoende tijd om zulke groepjes te vormen, en is er nóg meer energie van de mechanische schok nodig om het water in de kooien te laten binnendringen. Dit verklaart de hogere efficiëntie van de materialen bij snellere impacts, er wordt immers nog meer energie van de schok geabsorbeerd.

De structuur van een ZIF (zeolitic imidazolate framework) wordt gevormd door de 3-dimensionele assemblage van metaal, in dit geval zink, Zn(imidazolate)4 tetraëders, piramiden met drie zijden en een driehoekig grondvlak.
François-Xavier Coudert/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Veelbelovende materialen

Uit de uitgevoerde kwantummechanische simulaties konden de onderzoekers een aantal ontwerpregels afleiden om schokdempers te ontwikkelen die volgens bovenstaand mechanisme werken. 

De belangrijkste regel is dat zulke materialen moeten bestaan uit waterafstotende kooien, zodat water niet spontaan naar binnen treedt. Die kooien moeten met elkaar verbonden zijn via openingen die voldoende groot zijn zodat watermoleculen van de ene naar de andere kooi kunnen bewegen. En uiteindelijk geldt: hoe groter de kooien, hoe meer water er uiteindelijk kan binnendringen, en dus hoe beter ze de schok kunnen opvangen.

"Op basis van deze ontwerpregels ontdekten we een twintigtal materialen die momenteel nog niet gebruikt worden als schokdemper, maar daarvoor eigenlijk wel uitermate geschikt zouden zijn. Sommige van die materialen worden nu ook effectief experimenteel getest, met zeer positieve resultaten", zo zei onderzoeker Aran Lamaire van de UGent. 

De studie over de nieuwe schokdempers van het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) van de UGent en de University of Oxford is gepubliceerd in het gespecialiseerde vakblad Nature Materials. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de UGent en een email van doctor ingenieur Sven Rogge van het CMM. 

Meest gelezen