Het is een zegen voor iedereen die de gewoonte heeft zijn smartphone in de achterzak van zijn broek te stoppen. Want er sneuvelen zo dagelijks heel wat beeldschermen. Finse onderzoekers hebben ontdekt hoe ze glas kunnen fabriceren dat buigzaam is en ook nog eens sterker dan staal. Je moet voor de productie alleen net even andere ingrediënten gebruiken. Het buigzame glas dat zich bij kamertemperatuur kan vervormen, is ontwikkeld door een internationaal onderzoeksteam.

„Normaal glas is broos en breekt al door lichte druk vrij gemakkelijk. Wij hebben een mogelijkheid gevonden glas te produceren dat vervormbaar is. Het is veel steviger dan gewoon glas, zegt dr. Erkka Frankberg van de Finse Universiteit Tampere.  Hij leidde het onderzoeksteam. In plaats van het gebruikelijke siliciumoxide, gebruikte het onderzoeksteam aluminiumoxide.  Daardoor kreeg dit nieuwe soort glas metaalachtige eigenschappen.  „Het was al bekend dat siliciumoxyde bros is. Wij zochten naar oxides die andere eigenschappen hebben. Er was al eerder onderzoek gedaan naar het glasachtige aluminiumoxide, dat meert plasticiteit heeft dan siliciumoxide. Wij hebben van de gelegenheid gebruik gemaakt dit eens nader te onderzoeken,” aldus de wetenschapper.

Het team moest eerst wel een hindernis nemen om daadwerkelijk met aluminiumoxide een glasachtige substantie te kunnen maken. Daarvoor gebruikten ze een geavanceerde lasertechniek. Bij de gebruikelijke productie van glas kan aluminiumoxide niet worden gebruikt. Het kristalliseert namelijk heel gemakkelijk. Om dat te voorkomen, moet het hete materiaal extreem snel worden gekoeld. Dat voorkomt kristallisatie.

Luister nu naar De IO Show!

Elke week het nieuws van Innovation Origins in je oren!

© Erkka Frankberg

Verrassende mate van plasticiteit

Door dat proces ontstond een amorfe structuur van aluminium- en zuurstofatomen die het nieuwe , metaalachtige glas vormden. Het bleek bij verschillende proeven -zelfs bij puntbelasting- buigzaam en elastisch te zijn. En dat bij kamertemperatuur,” benadrukt Frankberg.

Voor deze proeven met mechanische belasting maakten de onderzoekers dunne platen van hun glas. Want ondanks dat het door gebruik van aluminiumoxide metaalachtige eigenschappen heeft, is het nog steeds glas. „We hebben monsters van het materiaal uitgerekt en er tegenaan gestoten. Door middel van gecombineerde druk- en schuiftests konden we aantonen dat het materiaal zich ook kan aanpassen aan een schuifkracht”, legt Frankberg uit.

Het van siliciumoxide gemaakte glas breekt vrij gemakkelijk omdat de atomen zich onder druk in het glas niet kunnen bewegen. Als je glas te sterk buigt of probeert uit te rekken, dan breekt het. In het nieuwe type glas kunnen atomen wel bewegen. Daardoor duurt het langer voordat het breekpunt wordt bereikt.

Meer artikelen over glas vindt u hier.

Is dit glas dan echt onbreekbaar, of is er ook een punt waarop het in scherven uit elkaar valt?  „Ja en nee“, zegt Frankberg. „In een bros materiaal bouwt zich de spanning steeds verder op totdat het breekt. Als atomen gaan bewegen voordat de breukspanning bereikt is. Dan neemt die spanning niet meer verder toe. Het zet zich als een vloeispanning verder, waardoor er continuïteit ontstaat. Bij vloeispanning hebben de atomen voldoende mechanische energie om zich te bewegen. Ze hebben geen verdere energie meer nodig. Daardoor neemt ook de spanning niet meer toe. Er ontstaat een situatie van een relatief constante spanning.

© Jonne Renvall & Erkka Frankberg

Nieuwe toepassingen voor glas

Tot dusver is de toepasbaarheid van glas op grond van de breekbaarheid beperkt. Het onderzoek kan er echter toe bijdragen nieuwe toepassingsmogelijkheden te vinden. „Straks kun je misschien je telefoontje op de grond kapot smijten zonder dat het scherm stuk gaat. De huidige beeldschermen van telefoontjes zijn feitelijk van gewoon glas, dat alleen een hogere elasticiteit en stevigheid heeft. Maar het blijft glas, dat nu eenmaal niet plastisch is”, benadrukt Frankberg.

Het nieuwe glas is ook harder dan staal. Omdat glas ook nog eens veel lichter is dan staal, ziet Frankberg allerlei toepassingsmogelijkheden. Natuurlijk als veiligheidsglas in voertuigen, maar wellicht ook in de ruimtevaart, of om machines mee te bouwen. „Dat is nog toekomstmuziek. Dat komt pas aan de orde als we in staat zijn het glas zonder fouten in grote hoeveelheden te kunnen produceren. Het is nog moeilijk je voor te stellen wat je er allemaal mee zou kunnen doen, omdat niet eerder bekend was dat glas ook zulke eigenschappen kan hebben.“

Het bezwaar dat het nieuwe glas door het gebruik van aluminiumoxide schadelijk voor de gezondheid kan zijn, wijst hij van de hand. „Naar mijn beste weten zijn er geen resultaten die wijzen op carcinogeniteit van aluminiumoxide. „Aluminiumoxide is een verbinding van aluminium en zuurstof met heel andere eigenschappen dan het metallische aluminium. Aluminiumoxide vind je overal op de aarde. Het is ook overal om ons heen. Van huishoudkeramiek tot bouwmaterialen.”

Het produceren van glas zonder fouten is een randvoorwaarde voor de vervormbaarheid. Onregelmatigheden als scheurtjes, blaasjes of vervuilingen kunnen tot een breuk leiden. Dat is de volgende uitdaging voor de wetenschappers.  Frankenberg: „Zowel aluminium als zuurstof zijn op de aarde in ruimte mate voorhanden. Maar wat wij nodig hebben is een onconventioneel productieproces om de gewenste eigenschappen te kunnen krijgen”.

© Erkka Frankberg

Massaproductie duurt nog decennia

,,Het is typisch voor nieuwe materiaaltechnologieën dat de schaalvergroting van de productie zeer lang duurt. Het zal waarschijnlijk twee tot drie decennia duren. Het zou sneller kunnen als er doorbraken in de productietechnologie zijn. Maar als het materiaal echt nuttig is voor de mensheid, zal het uiteindelijk duizenden jaren worden gebruikt. Net als glas”.

Het onderzoeksproject werd gefinancierd met subsidies van Finland, Frankrijk, Italië en de Europese Unie als onderdeel van het onderzoeksprogramma Horizon 2020. Het onderzoek bevindt zich echter nog in een vroeg stadium. De resultaten van deze eerste studie zijn gepubliceerd in Science Magazine.