De wetenschapsredactie beantwoordt kleine en grote vragen die lezers bezighouden. Deze week: waarom breekt glas, maar deukt metaal?
Een autoraam kan bij een ongeluk uiteenspatten in duizend stukjes, maar de deur van een auto komt er beter van af met een deuk. Hoe zit dat?
Om te weten te komen waarom iets deukt of breekt, moeten we terug de schoolbanken in voor een lesje scheikunde. Alle materialen zijn opgebouwd uit kleine bouwsteentjes – atomen. Verschillende bindingen houden die atomen netjes bij elkaar, als een soort ‘cement’.
Maar alles kan kapot: duw hard genoeg tegen een atoom en de binding zal breken. Als iets kapotgaat, verbreken er een hoop van deze bindingen. Maar hoe snel iets kapotgaat, en of het breekt of buigt, hangt weer af van hoe die bouwsteentjes geordend zijn.
Zo voert diamant een knap kunstje uit om het hardste natuurlijk voorkomende materiaal te zijn. De bouwsteentjes zijn perfect geordend – kristallijn in vaktaal. Vergelijk het met Romeinse soldaten die een schildmuur vormen: als iedereen dicht naast elkaar gaat staan, komt niemand erlangs.
Terug naar de autodeuren: die bestaan vaak uit een metaal als staal of aluminium. Bij metaalachtige materialen zijn de bouwstenen ook netjes geordend, maar met hier en daar een afwijking. Hoewel het altijd nog lastig is om de bindingen te verbreken, kunnen de atomen nu makkelijker opschuiven doordat ze minder netjes geordend zijn. De verplaatste atomen (bouwstenen) vormen dan met hun ‘nieuwe buren’ een binding. Hierdoor breekt het metaal niet meteen, maar kun je het een paar keer vervormen. Zo kun je een paperclip heen en weer buigen, of deukt een autodeur in bij een botsing.
Glas bestaat uit een chaotisch zooitje van bouwstenen, wat materiaalkundigen amorf noemen. Het is daarom niet mogelijk om een rij steentjes te verschuiven. Denk aan het oer-Hollandse sjoelen: je eindigt altijd met een muur van rondgeslingerde sjoelstenen, waar je niet meer doorheen komt. En áls je dan uit frustratie de stenen in beweging krijgt, kan er zomaar een uit de sjoelbak springen. Resultaat: het glas barst in duizenden stukjes
Maar waarom veroorzaakt een vliegend steentje tegen een autoruit dan maar een klein sterretje, en niet een gebarsten ruit? Sinds de jaren twintig van de vorige eeuw plakken autofabrikanten twee ruiten op elkaar, met een plastic laagje ertussen. Als er dan een barst ontstaat, zorgt de plastic laag ervoor dat de scheur stopt.
De heilige graal binnen de materiaalwetenschappen zijn zogeheten ‘zelfherstellende’ materialen: bekras, scheur of breek ze en ze repareren zichzelf weer.
De Romeinen gebruikten zelfherstellend beton zonder dat ze dit wisten. Door beschadiging komen er kleine scheurtjes in het beton, waardoor water zich een weg in het bouwwerk vindt. Het opus caementicium bevat nog kleine stukjes ongebluste kalk, die met het water kunnen reageren en daardoor de scheurtjes weer opvullen.
Vandaag de dag experimenteren wetenschappers met het maken van zelfreparerend asfalt en met materialen die het helen van de huid nabootsen – al valt dit vaak nog erg duur uit.
Is de prijs ook de reden waarom we niet een voertuig met een supersterk materiaal als diamant maken? Zeker niet. Door het deuken en kreuken van het metaal vangt de auto een groot deel van de energie van de harde klap op bij een botsing. Daarom blijf je eerder ongedeerd.
Met dank aan Joris Remmers, professor composietmaterialen aan de Technische Universiteit Eindhoven.
Zelf een vraag voor deze rubriek? Willenweten@volkskrant.nl
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant