Een nieuw computermodel voorspelt welke ultraporeuze, stevige sponzen broeikasgassen kunnen opslorpen.
Elf uur ‘s avonds, de deadline voor het indienen van dit artikel nadert genadeloos. In mijn haast stoot ik mijn kop koffie om. Gelukkig ligt er een spons binnen handbereik. Koffie geabsorbeerd en computer gered. Een mogelijke ramp, op het nippertje vermeden en dit dankzij een eenvoudige spons.
Wat als we nu een soortgelijke spons zouden maken om een veel grotere ramp te vermijden – de gevolgen van de klimaatverandering bijvoorbeeld? Sponzen die ultraporeus én stevig genoeg zijn om broeikasgassen zoals CO2 op te slorpen?
Onderzoekers zijn er in de laatste jaren in geslaagd een hele resem van zulke sponzen te bouwen in poedervorm. Sommige hiervan vind je zelfs al terug als absorptiemateriaal in kattenbakvulling of in je wasverzachter.
Hierbij stuiten we echter op een weerkerend probleem. Om bruikbare sponsmaterialen te vormen, moet men deze poreuze sponspoeders vaak samendrukken. Door de enorme drukken tijdens dit proces, die kunnen oplopen tot duizenden malen de atmosfeerdruk, klappen de poriën en kanalen van deze sponzen dikwijls in elkaar. Hierdoor kan het materiaal niet langer moleculen adsorberen en wordt het onbruikbaar.
Met dit probleem in gedachten ontwierp ik een model dat met behulp van supercomputers de stevigheid van deze minuscule sponzen voorspelt. Het computermodel, ontwikkeld aan het Centrum voor Moleculaire Modellering van de Universiteit Gent, voorspelt bij welke druk zo’n materiaal inklapt zonder het eerst experimenteel te bouwen. Hierdoor kunnen we ons in de toekomst beperken tot het ontwerpen van alleen de stevigste sponzen.
Deze werkwijze bespaart tijd en middelen, en brengt de ontwikkeling van CO2-sponzen die onder meer inzetbaar zijn tegen de klimaatverandering een stap dichterbij.
Ultraporeuze sponzen onder druk
Nare geurtjes adsorberen, gassen zuiveren, chemische wapens afbreken, waterstof opslaan in efficiënte brandstoftanks en medicijnen doorheen het lichaam transporteren. Hoewel deze toepassingen op het eerste gezicht erg verschillend lijken, staat telkens dezelfde gedachte centraal: kleine moleculen zo efficiënt mogelijk adsorberen.
Voor een optimale adsorptie hebben we bij voorkeur materialen met veel poriën en kanalen nodig. Liefst zijn deze poriën en kanalen ook ongeveer even groot als de moleculen die erin moeten adsorberen. Minuscule sponzen zeg maar, met poriën die tot bijna een miljoen maal fijner zijn dan de dikte van een menselijk haar.
Door deze enorme hoeveelheid fijne poriën bevat één gram van zo’n materiaal een interne oppervlakte die de oppervlakte van een volledig voetbalveld kan overstijgen. Hierdoor zijn deze materialen erg geschikt als sponzen om broeikasgassen te adsorberen en op te slaan.
Hoewel de enorme interne oppervlakte een groot voordeel vormt voor de adsorptie van kleine moleculen, zorgt ze er ook voor dat deze sponzen dikwijls een pak minder stevig zijn dan materialen die geen poriën bevatten. Vergelijk het met een spelletje Jenga: hoe meer blokjes je wegneemt uit je oorspronkelijk stevige Jenga-toren, hoe meer poriën je creëert. Het is dan maar een kwestie van tijd voordat het volledige bouwwerk inklapt, en dat zelfs onder atmosfeerdruk.
Eén gram sponspoeder kan gemakkelijk een interne oppervlakte hebben groter dan een voetbalveld
Niet verwonderlijk dus dat zo’n ultraporeus sponspoeder, met een veel uitgebreider porienetwerk, gemakkelijk kan inklappen onder hoge druk! Dit inklappen beperkt de druk die we kunnen aanleggen wanneer we deze sponspoeders samendrukken tot bruikbare materialen.
Het nieuw computermodel voorspelt nu precies wat de maximale druk is die zo’n sponspoeder aankan. Hiermee vermijden we dat we nog langer sponspoeders maken die hun uitzonderlijke eigenschappen verliezen tijdens het samendrukproces.
De ene spons is de andere niet
Beeld je in dat men je vraagt om voor elk haartje op je hoofd na te gaan hoe sterk het is. Een onbegonnen werk, niet? Hetzelfde probleem stelt zich als we zouden proberen alle mogelijke sponspoeders te bouwen en te testen, aangezien er momenteel ongeveer evenveel mogelijke sponspoeders bestaan als er hoofdhaartjes te vinden zijn bij de gemiddelde mens – een kleine honderdduizend.
Ook hierbij is het computermodel bijzonder nuttig om een eerste selectie te maken. Het model voorspelt veel sneller welke van deze sponspoeders te fragiel zijn en waarvoor het dus verloren moeite is om ze experimenteel te testen.
Door dit model een eerste maal toe te passen, konden we al vlug bepalen waarom bepaalde sponspoeders heel snel in elkaar klappen, terwijl andere dan weer veel steviger zijn. Naast chemische factoren, die de sterkte van de bindingen bepalen, speelt ook het precieze porienetwerk een belangrijke rol.
Zo zijn materialen met grote poriën vaak minder stabiel dan materialen met kleinere poriën. Bovendien kunnen we fragiele sponspoeders verstevigen door 'steunbalken' in de poriën te voorzien. Op die manier kunnen we nu gericht stevige sponspoeders ontwikkelen.
Spons zoekt toepassing
Allemaal goed en wel, maar wat kunnen we daar nu mee, met die sponspoeders? Het werd hierboven al aangehaald: de mogelijkheden zijn bijna eindeloos, zolang de adsorptie van kleine moleculen centraal staat.
Hoewel deze sponzen een belangrijke rol kunnen spelen tegen de klimaatverandering door broeikasgassen op te slaan, zijn ze bijvoorbeeld ook inzetbaar in nieuwe brandstoftanks die werken met waterstofgas of kan men ze gebruiken om energie op te slaan. Een enorm potentieel dus, dat dankzij dit computermodel een stap dichter bij de realiteit komt.
Voor zijn onderzoek naar ultraporeuze sponzen is Sven Rogge (toegepaste fysica, UGent / FWO) genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup 2018. Stemmen kan HIER.
