Verweij heeft nu een 'aardig geldpotje' om experimentele dingen te kunnen doen. 'Hoewel de vakgroep er redelijk voor staat - we hebben reorganisaties uit het verleden verwerkt, nieuwe stofarme laboratoriumruimtes gebouwd en voor een miljoen aan nieuwe apparatuur aangeschaft - hebben we grote behoefte aan financiële ruimte om nieuwe wegen in te kunnen slaan.'
Composieten zijn natuurlijke of kunstmatige mengsels van twee of meer vaste verbindingen ofwel fasen. De combinatie van verschillende fasen levert vaak nieuwe eigenschappen op die de bestanddelen afzonderlijk niet vertonen. In een natuurlijk composiet als graniet levert het samengaan van stukjes mica, veldspaat en kwarts bijvoorbeeld extreme sterkte en hardheid op.
Veel natuurlijke composieten hebben bijzondere 'mechanische' eigenschappen als sterkte of elasticiteit. Voorbeelden zijn uit anorganische en organische componenten opgebouwde plantaardige en dierlijke 'bouwmaterialen' als hout, schelpen of bot. Ook veel synthetische composieten dienen als constructiemateriaal: rubber, beton, vezelversterkte kunststof.
Geleiding
Interessanter nog zijn kunstmatige composieten die door hun microstructuur 'functionele' voordelen bezitten zoals bijzondere elektrische eigenschappen. Op de ontwikkeling van deze materialen is het nieuwe OSF-pionierprogramma gericht. Tot nu toe konden materiaalkundigen zulke composieten niet realiseren omdat het maken ervan zo moeilijk is. Inmiddels zijn echter nieuwe inzichten ontwikkeld, en daar sluit het programma op aan.
De nieuwe aanpak is gebaseerd op het gecontroleerd 'stapelen' van uniforme microdeeltjes (kleiner dan 1 micrometer) van de afzonderlijke componenten met behulp van een 'colloïd-chemische' mengtechniek. Je kunt een composiet op die manier bijvoorbeeld een percolatieve (doorlopende) metaalfase geven, waardoor het materiaal warmte of stroom goed geleidt.
Met behulp van de nieuwe mengtechniek hoopt Verweij goedkope, op massaschaal te produceren composieten met zeer bijzondere eigenschappen te kunnen maken, bijvoorbeeld extreem-slijtvaste materialen, waarbij het ene bestanddeel van de composiet als 'glijmiddel' werkt en het andere als duurzame component. Zulke materialen kunnen onder meer worden toegepast in turbines, pompen en motoren.
Elektrolieten
Andere plannen betreffen het verbinden van metalen en elektrolieten tot composietmaterialen met een zeer hoge ladingscapaciteit voor toepassingen in de elektronica, van zeer stabiele hoge-temperatuurmaterialen die toepasbaar zijn in hittebestendige lagen op turbineschoepen, en van superieure elektrodematerialen uit metaal en keramiek voor energieopslag (batterijen) en energieomzetting (brandstofcellen).
Op termijn worden volgens Verweij ook enkele 'nog wildere ideeën' mogelijk realiseerbaar. Zo hoopt hij binnen enkele jaren composieten met 'superinductie' te kunnen realiseren. Zo'n composiet zou bestaan uit een geleidende percolatieve metaalfase en niet-geleidende magnetisch-keramische component. Volgens Verweij zou zo'n composiet een flinke bijdrage kunnen leveren aan de miniaturisering in de elektronica.
Een ander spannend toekomstvisioen zijn goedkope supercompacte en snelle driedimensionale massageheugens voor telematica en multimediatoepassingen. Hierbij gaat het om composieten bestaande uit een bijna-percolatieve metaalfase en een schakelend (piëzo-elektrisch) materiaal.
Science fiction
We betreden hier de wereld van de science fiction, beaamt Verweij: 'Je zou in de toekomst integrale circuïts (chips) niet meer via een ingewikkeld etsprocédé te hoeven structureren. Je kunt je voorstellen dat je straks met een pipet een klodder ongestructureerd composiet op een printplaat doet, wat contactjes legt en voilà, je hebt een elektronisch device.'
Een laatste droombeeld is de realisering van een langgezocht maar nog nooit gevonden loodvrij piëzo-elektrisch materiaal voor biomedische, klinische toepassingen. Zo'n loodvrije composiet zou veilig kunnen worden toegepast in speciale lineaire of roterende motortjes die bijvoorbeeld in geavanceerde geïmplanteerde prothesen kunnen worden ingebouwd.
Voordat zulke futuristische toepassingen in beeld komen zullen de nieuwe composieten eerst gemaakt moeten worden, en daarop is het pionierprogramma gericht. Verweij: 'Voorlopig concentreren we ons op twee-fase composieten. We gaan twee soorten deeltjes mengen en stapelen, waarbij we hopen dat er dusdanige verbanden ontstaan dat de gewenste eigenschappen optreden. De centrale gedachte daarbij is die van een gecontroleerde chaos, waarbij we het natuurlijke proces zoveel mogelijk zijn eigen gang laten gaan.'
Procédé
De basis van het procédé is de nog te ontwikkelen hoge-dichtheid colloïdale techniek. Een colloïdaal mengsel (dispersie) is een mengsel van twee stoffen waarbij de ene stof zeer fijn verdeeld is in de andere (bij twee vloeistoffen wordt dan gesproken van een emulsie; denk aan een sausje van azijn in olie). Voor de composieten moeten microdeeltjes van bestanddelen stabiel en zonder klonteren door vloeistof worden gemengd.
Vervolgens wordt het vloeibare mengsel tot een compacte, percolatieve massa gemaakt door het via diverse technieken te filteren en te centrifugeren. Daarna wordt de massa bij hoge temperatuur tot een homogeen geheel afgebakken (gesinterd). Pas dan is de meerfase-microstructuur volledig uitontwikkeld en de composiet klaar voor meten van eigenschappen als elektrische geleidbaarheid, slijtvastheid en thermostabiliteit.
Voor het maakproces sluit men aan bij lopend onderzoek binnen en buiten de vakgroep. De colloïd-techniek voor het maken van keramiek werd ontwikkeld op Philips Natlab, waar Verweij in het verleden researcher was. Bij CT is verder al ervaring opgedaan met functionele twee-fase composieten, zoals slijtvaste materialen, keramische membranen, elektrodematerialen voor brandstofcellen en (een-fase) nanoschaalkeramiek.
Project
Niettemin is het huidige project van een heel andere orde. 'Het is niet niks wat ik beloof', beaamt Verweij. 'Ik weet ook niet of het gaat lukken. Wel hebben we ons voorgenomen met name de spectaculaire dingen met het OSF-geld te gaan aanpakken. We gaan deze OSF-subsidie dus niet gebruiken om op een verkapte manier ons gewone onderzoek te versterken. Dat is puur eigenbelang hoor. Als we niet vooroplopen zijn we zo weg.'
Verweij wil het OSF-miljoen over vijf jaar onder meer gebruiken om één aio en één postdoc aan te stellen. De vakgroep steekt daarnaast in vijf jaarruim 2,2 miljoen gulden eigen middelen in dit thema. In aansluiting op het OSF-programma verwacht men ook een aantal kansrijke aanvragen te kunnen doen bij NWO en de Europese fondsen.
De nieuwe composieten met bijzondere eigenschappen die straks in het kader van het OSF-pionierprogramma zullen worden ontwikkeld moeten uiteindelijk via kennistransfer leiden tot nieuwe innovatieve producten. Dat dient volgens Verweij te gebeuren in aparte utilisatieprojecten waarvoor consortia uit het bedrijfsleven het voortouw zullen moeten nemen.
Conservatisme
Verweij betreurt het structurele verschijnsel dat kleinere bedrijven zulke projecten wel willen maar geen reserves hebben, terwijl de grote bedrijven hun geld uit 'conservatisme' alleen in 'panklare dingen' willen steken. Ze bezuinigen op eigen research, wat op termijn volgens Verweij tot arbeidsmarktproblemen kan leiden voor afgestudeerde ingenieurs.
Verweij voelt er weinig voor om eigen promovendi binnen derde-geldstroomprojecten aan toepassingsgericht onderzoek te laten werken. Volgens hem heeft contractresearch in het verleden binnen de groep teveel gedomineerd. 'Er is jarenlang bijgeklust om de budgetten overeind te houden. Het aanstellen van promovendi op contractresearch levert de industrie goedkope mankracht op. Maar terwijl de bedrijven voor weinig geld op de eerste rang zitten sneeuwen de onderwijsdoelen van een promotieproject onder.'
Om dit wetenschappelijk 'opportunisme' terug te dringen wil Verweij de tweede geldstroom tot financiële hoofdbron voor promotieprojecten maken. Via SON, FOM en STW zijn de laatste tijd zeven nieuwe projecten aangetrokken. De derde geldstroom wil Verweij beperken tot 'echte sponsoring': kortlopend onderzoek en 'informatiecontracten', waarbij de groep niet-projectgebonden achtergrondkennis aan het bedrijfsleven verkoopt. Dat levert nu al drie ton vrij besteedbaar per jaar op.
H. Verweij (CT)
