Lijm en water zijn doorgaans geen gelukkige combinatie. Wie ooit heeft geprobeerd iets op een nat oppervlak vast te plakken, weet waarom. Een dun laagje water tussen de lijm en het materiaal is vaak al voldoende om een sterke verbinding onmogelijk te maken. Chinese materiaalwetenschappers hebben nu een lijm ontwikkeld die dat probleem opvallend effectief omzeilt. Onder water heeft het materiaal slechts tien seconden nodig om een sterke verbinding te vormen.
De nieuwe lijm is ontwikkeld door onderzoekers van onder meer Hunan University en wordt beschreven in Nature Communications. Het materiaal kan zich hechten aan uiteenlopende oppervlakken, waaronder keramiek, epoxy en verschillende kunststoffen. Na tien seconden onder water maten de onderzoekers een hechtsterkte tot ongeveer 1,1 megapascal. Dat is niet alleen snel. De verbinding blijkt ook langdurig bestand tegen water. Bij een demonstratie hing meer dan drie jaar lang een gewicht van twee kilogram aan een verlijmde verbinding die continu ondergedompeld bleef.
Water wordt onderdeel van het lijmproces
De grootste vijand van onderwaterlijm is de zogeheten hydratatielaag. Watermoleculen verzamelen zich op een oppervlak en vormen daar een microscopisch dunne barrière. Een lijm moet eerst door die laag heen zien te komen voordat hij daadwerkelijk contact kan maken met bijvoorbeeld metaal of kunststof.
Bij de nieuwe lijm wordt water juist ingezet om het materiaal te laten veranderen. De onderzoekers gebruiken daarvoor een supramoleculaire ionische vloeistof met de aanduiding BP16TPB. ‘Supramoleculair’ betekent hier dat de uiteindelijke structuur niet alleen afhankelijk is van afzonderlijke moleculen, maar vooral van de manier waarop grote aantallen moleculen onderling met elkaar samenwerken.
BP16TPB wordt gemengd met dimethylsulfoxide, beter bekend als DMSO. Dit oplosmiddel zorgt ervoor dat een deel van de bestanddelen mobiel wordt. Zodra het mengsel in aanraking komt met water, begint een uitwisseling van oplosmiddelen. De moleculen herschikken zich en bouwen een dicht netwerk op.
Daarbij ontstaan onder meer waterstofbruggen, elektrostatische interacties en zogeheten π π interacties tussen moleculaire structuren. Het resultaat is een materiaal dat aanvankelijk goed kan vloeien, maar onder water snel verandert in een stevige en waterbestendige laag. De onderzoekers spreken van zelfassemblage door oplosmiddeluitwisseling.
Een bekend effect uit een glas wijn
Er speelt nog een natuurkundig verschijnsel mee: het Marangoni effect. Dat ontstaat wanneer verschillen in oppervlaktespanning een vloeistof in beweging brengen. Het bekendste voorbeeld is te zien in een glas wijn. De ’tranen’ die langs de binnenkant van het glas omhoog kruipen en vervolgens naar beneden lopen, ontstaan mede door verschillen in oppervlaktespanning.
In de lijm helpt hetzelfde principe om materiaal snel over het te verlijmen oppervlak te verspreiden. Volgens de onderzoekers versnelt die stroming niet alleen de vorming van de moleculaire structuur, maar helpt ze ook om door de hinderlijke waterlaag op het oppervlak heen te breken. Tegelijkertijd is het materiaal sterk waterafstotend, waardoor water uit het contactgebied wordt verdreven.
Dat samenspel is belangrijk. Veel bestaande onderwaterlijmen moeten relatief lang uitharden of leveren aan kracht in zodra water de verbinding binnendringt. Hier veroorzaakt het water juist de overgang naar de uiteindelijke lijmstructuur.
Losmaken en opnieuw gebruiken
Opvallend is bovendien dat de verbinding niet per definitie permanent is. Tijdens experimenten maakten de onderzoekers de lijm onder water los en brachten hem opnieuw aan. Ook na acht van zulke cycli bleef het materiaal goed functioneren. Dat heeft te maken met de manier waarop de moleculen met elkaar verbonden zijn. In plaats van uitsluitend permanente chemische bindingen te vormen, steunt het netwerk sterk op omkeerbare interacties. Daardoor kan de structuur uit elkaar worden gehaald en zich vervolgens opnieuw organiseren. Het oorspronkelijke onderzoek richt zich dan ook nadrukkelijk op recyclebare onderwaterhechting.
Ook chemisch blijkt de lijm behoorlijk tolerant. Tests in zure, basische en zoute oplossingen lieten zien dat de hechting onder uiteenlopende omstandigheden mogelijk blijft. Dat maakt toepassingen in zeewater en andere agressieve omgevingen interessant. Een zwakke plek is er wel. Boven ongeveer 70 graden Celsius nemen de prestaties af. De lijm is bovendien nog een experimenteel materiaal. Een succesvolle laboratoriumproef betekent niet automatisch dat er binnenkort tubes onderwatersecondelijm in de bouwmarkt liggen.
De mogelijke toepassingen liggen voorlopig eerder bij infrastructuur. Denk aan het repareren van pijpleidingen, onderdelen van offshore installaties, scheepsconstructies of andere objecten die lastig drooggelegd kunnen worden. Daar kan een materiaal dat binnen enkele seconden hecht een reparatie aanzienlijk eenvoudiger maken. Het onderzoek laat bovendien zien dat een omgeving die normaal gesproken funest is voor een lijmverbinding, ook kan worden gebruikt om precies op het juiste moment een sterke moleculaire structuur te laten ontstaan.
