Onderzoekers ontwikkelen nieuw soort herbruikbare en efficiënte schokdempers

(22-04-2021) UGent-onderzoekers zijn erin geslaagd om een nieuw soort schokdempers te bouwen, waardoor schokdempers duizenden malen herbruikbaar zijn én efficiënter worden bij grotere schokken.

Als vangrails of helmen een grote schok opvangen, zijn ze daarna meestal vervormd en kunnen ze dus niet meer gebruikt worden. UGent-onderzoekers leggen nu een mechanisme bloot waarmee een nieuw soort schokdempers gemaakt kan worden. Hierdoor worden schokdempers zowel herbruikbaar als veel efficiënter.

Twee elementen

De nieuwe schokdempers bestaan uit twee elementen: enerzijds water, en anderzijds een materiaal met erg kleine poriën of 'kooien' (een zogenaamd nanoporeus materiaal). Die 'kooien', die tot honderdduizend keer kleiner zijn dan de dikte van een menselijk haar, zijn waterafstotend en met elkaar verbonden. Wanneer dit materiaal een schok opvangt, wordt de energie van de schok gebruikt om water in de waterafstotende kooien te duwen. Hoe sneller de schok optreedt, hoe meer energie het materiaal absorbeert. Na de schok vloeit het water opnieuw uit de kooien, waarna de hele absorptiecyclus opnieuw kan beginnen. 

Waarom zijn deze materialen zo efficiënt?

Onderzoekers aan de Universiteit van Oxford namen dit nieuw mechanisme voor het eerst waar in ZIF-8, een specifiek nanoporeus materiaal. Om te begrijpen waarom dit materiaal zo efficiënt mechanische schokken kan opvangen, en vooral waarom het materiaal efficiënter wordt bij snellere schokken, voerden UGent-onderzoekers verschillende uitdagende kwantummechanische berekeningen uit.

De sleutel in dit verhaal bleek de heel specifieke structuur van ZIF-8 te zijn. Omdat het materiaal bestaat uit geconnecteerde waterafstotende kooien, dringt water nooit spontaan in deze kooien binnen. Het is pas van zodra er voldoende druk op het materiaal wordt uitgeoefend, bijvoorbeeld door een mechanische schok, dat de eerste watermoleculen ondanks het waterafstotend karakter van het materiaal toch binnendringen in de kooien. Waterstofbruggen zorgen er dan voor dat de moleculen zich binnen die kooien in kleine groepjes organiseren. Van zodra zo’n groepje voldoende groot wordt – vanaf een vijftal watermoleculen – wordt het veel gemakkelijker om extra watermoleculen in de kooien te laten binnendringen, tot ze uiteindelijk het volledige materiaal vullen.

Dit ganse proces neemt wel wat tijd in beslag. Als de mechanische impact te snel invalt op het materiaal, is er dus onvoldoende tijd om zulke groepjes te vormen, en is er nóg meer energie van de mechanische schok nodig om het water in de kooien te laten binnendringen. Dit verklaart de hogere efficiëntie van de materialen bij snellere impacts.

Nieuwe ontwerpregels voor schokdempers

Op basis van deze simulaties leidden de onderzoekers een aantal ontwerpregels af om schokdempers te ontwikkelen die volgens bovenstaand mechanisme werken. De belangrijkste regel is dat zulke materialen moeten bestaan uit waterafstotende kooien, zodat water niet spontaan naar binnen treedt. Die kooien moeten met elkaar verbonden zijn via openingen die voldoende groot zijn zodat watermoleculen van de ene naar de andere kooi kunnen bewegen. Finaal geldt: hoe groter de kooien, hoe meer water er uiteindelijk kan binnendringen, en dus hoe beter ze de schok kunnen opvangen.

"Op basis van deze ontwerpregels ontdekten we een twintigtal materialen die momenteel nog niet gebruikt worden als schokdemper, maar daarvoor eigenlijk wel uitermate geschikt zouden zijn. Sommige van die materialen worden nu ook effectief experimenteel getest, met zeer positieve resultaten", aldus Aran Lamaire (UGent)

Meer informatie

  • Dit onderzoek werd uitgevoerd aan het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM), geleid door prof. Van Speybroeck, en de Universiteit van Oxford.
  • De resultaten werden gepubliceerd in Nature Materials. Lees het artikel hier

Contact

  • Sven Rogge, Centrum voor Moleculaire Modellering (UGent), M +32 (0)478 82 34 19