SMART MATERIALS in Nederland : Van Fundamenteel Onderzoek naar Innovatieve Maatschappelijke Toepassingen

Transcriptie

1 SMART MATERIALS in Nederland : Van Fundamenteel Onderzoek naar Innovatieve Maatschappelijke Toepassingen Samenvatting Smart Materials zijn materialen met specifieke eigenschappen, zodanig dat ze reageren op externe stimuli. Deze externe stimuli zijn bijvoorbeeld licht, zuurtegraad, temperatuur, magnetische velden en mechanische lading (mechanical loads). De reactie kan verschillende resultaten geven, zoals veranderingen in viscositeit, kleur, vorm en samenstelling. In Nederland worden Smart Materials gebruikt voor diverse toepassingen. Op basis van Smart Materials kunnen nieuwe materialen worden samengesteld. Daarnaast zijn er toepassingen te vinden binnen de medische technologie (vaccins, regenerative medicine, hulpmiddelen, nanomedicines en innovatieve toedieningsvormen van medicijnen), energieonderzoek (bijvoorbeeld batterijen met verbetere opslagcapaciteit), bouwen en wonen, de automobielindustrie, lucht- en ruimtevaart en de ontwikkeling van nieuwe textielsoorten (van biochemische innovaties tot nieuwe weefselsoorten). Ook in deze toegepaste gebieden vindt er actief onderzoek plaats op het gebied van Smart Materials. Onderzoek op het gebied van slimme materialen wordt in Nederland onderverdeeld in constructief materiaalonderzoek en functioneel materiaalonderzoek. Daarnaast kent men een onderverdeling naar soort materiaal: metalen, polymeren en composieten. Nederland is op een aantal deelgebieden bijzonder actief en voert daarbij onderzoek uit op wereldniveau, zoals selfhealing materials en biomimetic materials (materialen, die lijken op materialen uit de natuur). Inleiding Smart Materials bestonden al in de tijd van de Romeinen. Aquaducten, gebouwen, en andere restanten uit die tijd getuigen hiervan: de betonconstructies waren zodanig, dat als er scheurtjes ontstonden, en het regenwater kwam in contact met de kalk, deze combinatie samen de schade weer netjes repareerden. Het is een voorbeeld van een antieke voorloper van Self-Healing materials. In Nederland is materiaalonderzoek drie decennia geleden in een stroomversnelling gegaan. Onderzoek en toepassingen van Smart Materials in Nederland liggen zowel binnen de productinnovatie als binnen de proces- en diensteninnovatie. Speerpunten daarbij zijn Self-Healing Materials, thermoplasten (kunststof dat bij sterke verhitting zacht wordt), nanotechnologie, en slimme polymeren. Het belang van maatschappelijke thema s voor materiaalinnovatie is de afgelopen jaren verder toegenomen. Zuiniger omgaan met energie, schoon houden van het milieu, duurzaamheid, veiligheid en materiaalschaarste vormen belangrijke drijfveren achter fundamenteel onderzoek in de Smart Materials. Nederland is een sterke internationale partner op het gebied van onderzoek naar slimme materialen en een actieve partner binnen Europese projecten. De drie Technische Universiteiten en Philips gaan daarbij voorop.

2 Onderzoek aan de Nederlandse Universiteiten De Nederlandse Universiteiten en Kennisinstellingen zijn aktief op het gebied van Smart Materials. Vooral de Technische Universiteiten lopen vooraan in het doen van onderzoek en het geven van onderwijs hierin. Smart Materials en Energie Onderzoek Aan de TU Delft is een onderzoeksgroep Materialen voor Energieconversie en Opslag die zich vanuit de chemie richt op Smart Materials met energie als toepassingsgebied. Prof. Schoonman hield zich reeds met Smart Materials en Energietoepassingen bezig avant la lettre. Het onderzoek richt zich op duurzame energiebronnen, met name voor kleinschalige decentrale toepassingen. Gerelateerd onderzoek vindt plaats onder leiding van Prof. Siebbeles. Dit onderzoek richt zich met name op aard en dynamiek van energieopslag en de status van moleculaire materialen met potentiele toepassingen in bijvoorbeeld LEDs, zonnecellen of nanoscale moleculaire electronica. Hierbij worden verschillende soorten materialen bestudeerd, zoals (combinaties van) geconjugeerde polymeren, discotic organische materialen, anorganische nanoparticles en DNA. Ladingdragers en excitons (een exciton is een gebonden elektron-gat paar in een halfgeleider) worden geproduceerd in deze materialen door irradiatie met hoge energie electronen of laser pulses. Bij het onderzoek van Prof. Dam ligt de focus op het vinden van relaties tussen groei, structuur en fysische materiaaleigenschappen. Het onderzoek richt zich op de ontwikkeling van materialen voor duurzame toepassingen op het gebied van energie, zoals hydrogene sensoren, hydrogene opslag materialen, hydrogene membranen, slimme ramen, en foto-anodes voor het splijten van water met solarcellen. Smart Materials en Nanotechnologie Het Kavli Instituut in Nederland is een vooraanstaand Instituut op het gebied van Nanotechnologie. Onder leiding van directeur Prof. Cees Dekker, doet het Kavli Instituut onderzoek op de gebieden bionanoscience en Quantum nanoscience. Het instituut heeft als doel een stimulerende omgeving te zijn voor het uitwisselen van ideeen en onderzoeksvoorstellen, op het brede scala van nanowetenschappen en nanotechnologie. De nadruk ligt op nieuwe conceptontwikkeling en fundamentele doorbraken, varierend van single-molecule biofysica tot quantum informatie verwerking met nanoschaal apparatuur. Het Instituut beschikt over de nieuwste state-of-the-art faciliteiten, met name voor nanofabricage. Zeldzame Aardmetalen en hun Vervangers (Rare Earth and Replacements) Een gebied als Rare Earth and Replacements is in Nederland in opkomst. Het richt zich op de vraag hoe we moeten anticiperen op komende materialenschaarste en manieren om vervangende materialen hiervoor te vinden, of op onderzoek dat zich richt op efficiente recycling van bestaande

3 voorwerpen en materialen. TNO, Sabic, Platform Materiaalschaarste en Kennisplatform Duurzaam Grondstoffenbeheer zijn actieve spelers in Nederland op dit gebied. Onderzoek bij Nederlandse Bedrijven Een aantal grote en kleine Nederlandse bedrijven en kennisinstellingen zijn aktief op het gebied van Smart Materials, vooral op de onderwerpen Slimme Textielsoorten, Self-healing materials en medische technologie. Ter illustratie noemen we hier drie bedrijven als sprekende voorbeelden. Slimme Textielsoorten TenCate Advanced Composites ontwikkelt en vervaardigt thermoplastische en thermohardende (thermoset) composietmaterialen, verbindingen en systemen voor de ruimtevaart- en luchtvaartindustrie. Thermoplasten worden meer en meer toegepast in de vliegtuigindustrie. Thermoset wordt voornamelijk toegepast in de ruimtevaartindustrie en de militaire luchtvaartsector. In de ruimtevaart gaat het om bijvoorbeeld satellieten, verkenningsvoertuigen en telescopen. TenCate is de toonaangevende leverancier van voorgeïmpregneerde composietvezels aan de Noord-Amerikaanse satellietindustrie. Ook in Europa is TenCate een belangrijke leverancier aan deze sector. In de ruimtevaart worden hoge eisen gesteld aan materiaaleigenschappen. Ruimtevaart- en satellietprogramma s zijn enorm kostbaar. Compromissen bij de materiaalkeuze zijn uitgesloten. Composieten van TenCate voor deze satelliettoepassingen zijn dimensionaal stabiel (maatvast) van -121 C tot +121 C, bestand tegen atomaire zuurstof, hebben een lage uitgassing, hoge stijfheid, zijn buitengewoon licht en vochtbestendig en kunnen zwaar worden belast. Producenten van radomes (radarbehuizing) willen composieten die niet-geleidend (diëelektrisch zuiver) zijn. TenCate Advanced Composites beschikt in Nederland en de VS over de koolstofvezelvrije ruimtes om deze materialen zo zuiver mogelijk te bewerken.

4 Copyright Ten Cate BV, Dyneema DSM werkt aan Slimme Textielsoorten. Men zou graag hun netwerk aan internationale R&D relaties versterken of uitbreiden. Daarbij zoekt Dyneema DSM met name textiel instituten met een focus op supersterke vezels, marine & offshore instituten, bedrijven in performance kleiding (sport, leisure, wert), supersterke vezel kennisinstituten, hybride carbon composiet instituten, radomes, military institutes in armor en composites, en aerospace en aviation. Ten aanzien van informatie rond internationale strategische onderzoekskeuzen in smart materials, potentiële markten, spelers en/of technologie ontwikkelingen, richt de aandacht van Dyneema DSM zich op armormaterialen, heavy ropes (offshore, cranes, steel wire replacement, chains) en nieuwe sterke vezels, carbon vezels en hybride supervezels. Self-healing Materials Supra Polix BV is een MKB en werkt met name op het gebied van self-healing materials voor coatings, cosmetica, biomedische materialen, adhesieven en onderdelen. Temperatuur of schade vormen de triggers om zichzelf te repareren. Het is een intrinsieke eigenschap van het materiaal, waarbij geen additionele chemicalien of andere stoffen aan te pas komen. Het is een succesvol procedee. SupraPolix zou graag in contact komen met nieuwe internationale partners voor het verder ontwikkelen van self-healing concepts en om nieuwe toepassingsgebieden te verkennen.

5 Innovatiebeleid in Nederland In 2011 zijn de roadmaps voor de Topsectoren geschreven. Smart Materials komt als onderwerp voor binnen de Topsector High Tech Systems & Materials en de Topsector Chemie. Daarnaast zijn er toepassingen van Smart Materials terug te vinden binnen de Topsectoren Life Sciences & Health (zoals vaccinontwikkeling) en Food (bijvoorbeeld slimme verpakkingswijzen). Voor de Topsector High Tech Systems & Materials ligt de focus binnen Nederland op het ontwerpen, ontwikkelen en maken van hightech equipment en micro/nano componenten. Smart Materials deelt een aantal karakteristieke eigenschappen waaraan de systemen moeten voldoen: ze zijn intelligent (embedded systemen, software, sensors), nauwkeurig (nanoelectronica, high precision manufacturing) en efficiënt (mechatronica). Kennis op het gebied van materialen en fotonica/optica speelt hierbij een steeds belangrijkere rol. ICT maakt een integraal onderdeel uit van de ontwikkelingen in dit veld. De topsector high tech is hiermee een belangrijke enabler voor veel andere toepassingssectoren zoals energie, chemie, life sciences en food. Binnen de Topsector HTSM ligt voor Smart Materials de nadruk op het ontwikkelen van veilige en betaalbare eco-innovatieve materialen om bijvoorbeeld een gezond binnenklimaat te creeren. Aangezien er al veel academische partners actief zijn, is het programma op zoek naar industriele partners. Er zullen projecten worden uitgevoerd met verschillende partners aan boord, waarbij de voorkeur uitgaat naar partners die in een value chain betrokken zijn en gelijkgestemde onderzoeksinteressen hebben. De Topsector Chemie voorziet in een zelfstandig TKI Smart Polymeric Materials (TKI SPM). De ambitie is als volgt gedefinieerd: In 2050 the Netherlands is a top 3 global producer of smart materials. Companies in the Netherlands produce creative and innovative products with high added value: materials for energy storage and catalysts from widely available and accessible sources instead of rare metals. Plastics are lightweight, self-healing, self-cleaning and can be fully recycled. Furthermore, for the production of these and other organic materials mainly biomass-based raw materials will be used Het TKI SPM zal met name precompetitief onderzoek verrichten. Het bestaat uit een netwerk van bedrijven en kennisinstellingen. Het TKI SPM is sterk verankerd binnen de Euregio Nederland, Belgie, Duitsland, waar veel start-ups en MKB-ers deelnemen. Het is de wens van het TKI SPM om nieuwe internationale samenwerkingspartners te vinden, in het bijzonder bedrijven, kennisinstellingen en overheden uit Brazilie en China. Bedrijven en kennisinstellingen zouden van de overheid in de toekomst nog meer aandacht willen vragen voor een betere afstemming van de hele keten van ontwerpers, ontwikkelaars en producenten. Europese Onderzoeksprogramma s voor materiaalonderzoek Binnen het Europese Kaderprogramma voor Onderzoek en Technologische Ontwikkeling KP7 valt Smart Materials grotendeels onder het thema Nanosciences, nanotechnologies, materials and new production technologies (NMP). Het onderzoek richt zich op producten met een hoge toegevoegde

6 waarde en de daarbij behorende processen en technologieën, waarbij de focus ligt op klantgerichte toepassingen maken. De voorkeur gaat uit naar projecten met multi-sectorale toepassingen. Verder is er ook uitgebreide aandacht voor de integratie van nanotechnologie in materiaalwetenschappen, ontwerpmethodieken en nieuwe productiemethoden in alle sectoren van de industrie. Bron: Kavli Institute, Delft Tot en met 2010 werd binnen het thema NMP in totaal 1,8 miljard euro financiering gegeven aan 461 projecten. Nederland deed mee aan 156 projecten, voor een bedrag van 89 miljoen euro. We staan daarmee op een zevende plaats. Duitsland ontving het grootste aandeel (379 miljoen euro), gevolgd door Italie, het Verenigd Koninkrijk, Spanje, Frankrijk en Zwitserland. Met dank aan De heer Sywert Brongersma (Holst Center), Joop Schoonman (TU Delft), Bernard Dam (TU Delft), Laurens Siebbeles (TU Delft), Boris Duijneveld (MUD projects), Peter van den Berg (Agentschap NL), Gert Bos (Agentschap NL) en Jaap de Carpentier Wolf (Ten Cate). Informatie en Bronnen (Top Institute M2I) (Top Institute DPI) kavli.tudelft.nl

7 Kennisinstelling (Prof. Dr. Sywert Brongersma, TNO / Holst Centre / IMEC) Open innovatie voor miniatuur low-power sensor systemen Holst Centre is een open innovatie onderzoekscentrum met twee programma-lijnen, Wireless Autonomous Transducer Solutions (WATS) en Systems in Foil (SiF), waar de werelden van high performance Silicon en flexibele electronica bij elkaar komen. Het biedt een ecosysteem voor industrie en academische partners om samen te werken aan shared onderzoeksuitdagingen uit vooraf gedefinieerde roadmaps. Low power wireless sensor systemen kunnen de fysische en chemische condities monitoren, en initieren een afgestemde response als reactie op externe stimuli indien dit nodig is. Ze zijn onmisbaar voor een wijd scala aan commerciele en industriele toepassingen, die moeilijk zouden zijn te realiseren of een stuk duurder zouden kosten wanneer men wired systemen zou gebruiken. Hun unieke eigenschappen zijn o.a. een kleine form factor, beperkte energie consumptie (<100 W), en indien gewenst implementatie in een dynamisch wireless network topology. Holst toepasssing wireless sensors (Bron: Holst Centre) MUD projects (MKB) over recycling materialen Smart Materials en Afvalmaterialen Er ontstaat binnen materiaalonderzoek een combinatie van Smart Materials en het slim hergebruiken van afvalmaterialen. Het principe van architectuur met afval is dat je gebruik maakt in je ontwerp van materialen die al voor handen zijn. Je speelt met de vorm, materiaaleigenschappen en kleuren, en je komt zo tot nieuwe inzichten, vormen en toepassingen. Door de materialen te slim te bewerken, kunnen de gebruikte materialen nieuwe toepassingen krijgen. Het is een benadering waar smart materials inspireren tot nieuw hergebruik van bestaande voorwerpen. Duurzaamheid staat hierbij centraal. Boris Duijneveld van het MKB MUD projects is stedelijk interieur architect of Urban City Designer en richt zich op ontwerpen van nieuwe

8 voorwerpen met hergebruikte materialen. Als stedelijk interieur architect is het daarbij voor hem een uitdaging om het materiaal en het voorwerp zo te veranderen, dat de tweede toepassing niets meer te maken heeft met de context waar het voorwerp in beginsel voor was gemaakt. Veevoersilo herbruikt tot kast Veevoersilo herbruikt tot hide-out Veevoersilo herbruikt tot bar Veevoersilo herbruikt tot woonunit Meer informatie Conchita Callant