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 self-

healing 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.

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

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.

Copyright Ten Cate BV, 2012.

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.

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

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

www.agentschapnl.nl

www.m2i.nl (Top Institute M2I)

www.polymers.nl (Top Institute DPI)

www.top-sectoren.nl/chemie

www.top-sectoren.nl/hightech

www.top-sectoren.nl/lifesciences

www.top-sectoren.nl/agrofood

www.agentschapnl.nl/sites/default/files/bijlagen/Nederland_in_KP7_2011_0.pdf

www.tencate.nl

www.holstcentre.com

www.mud-projects.com

kavli.tudelft.nl

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

(<100PW), 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

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 www.nlintenationaal.nl