Het vorige artikel dat ik schreef voor de Quantum Universe-website ging over quantum-licht-kunst. Quantumfysica en kunst zijn twee disciplines die ogenschijnlijk weinig met elkaar te maken hebben. Het liet mij denken aan andere raakvlakken tussen het domein van beeldende vorming en de fysica. Daarom duik ik nu nog eens in de kunst, of beter gezegd: de kunde van het beheersen van materialen.
Afgelopen december speelde James Robinson al met klei in zijn artikel Klei legt uit: de tweede hoofdwet. Dat bracht mij ertoe om te kijken naar het proces waarmee materialen zoals glas, porselein en aardewerk worden gevormd. In dat proces schuilt verrassend veel (toegepaste) fysica. Al deze materialen vallen onder de verzamelnaam keramiek.
Keramische fysica
Het maken van keramiek is een traditioneel ambacht, waar klei (een mengsel van materialen) wordt samengevoegd, vervormd, gebakken, en gebruikt. Denk aan de vele vazen, schalen en kommen uit de oudheid. Ook porselein en glas vallen onder keramiek.
Klei is een natuurlijk, fijnkorrelig materiaal (met deeltjes kleiner dan 4 micrometer), wat ontstaat door verwering van veldspaat. De fysische stofeigenschappen worden gekenmerkt door plasticiteit in natte toestand, veroorzaakt door water als smeermiddel tussen de plaatvormige deeltjes. Het materiaal is thixotroop: de viscositeit of stroperigheid neemt in de loop van de tijd af bij een constante schuifspanning. Ook is het vormvast, en wordt klei hard (keramisch) bij drogen en bakken. Na extreme hitte (of druk) vervormt de klei dus tot keramiek.
Keramiek bestaat uit niet-metaalatomen die een onregelmatig glasachtig of geordend kristallijn rooster vormen, vaak omschreven als een “eindeloos groot molecuul”. Deze roosters ontstaan door verhitting van minimaal twee elementen, soms in combinatie met verhoogde druk. Deze hitte en/of druk veroorzaken een chemische reactie en vervormen de atomaire structuur van de klei. Een vereiste is dat een van deze elementen non-metallisch is. De ander mag zowel metallisch als non-metallisch zijn. Twee soorten bindingen ontstaan tijdens deze chemische reactie: sterke ionische (elektronen worden overgedragen van een metaalatoom naar het niet-metaalatoom) en covalente bindingen (de atomen delen één of meerdere elektronenparen). Door deze sterke ionische en covalente bindingen ontstaat een rigide kristallijn of gedeeltelijk glasachtig netwerk. Dit geeft keramiek zijn typische eigenschappen: hoge hardheid, hoge temperatuurstabiliteit en brosheid.
Traditionele en technische keramiek
Tegenwoordig is keramiek het stadium van eenvoudig gebruiksvoorwerp of kunstvoorwerp allang voorbij. Afhankelijk van de microstructuur heeft het materiaal bijzondere magnetische, elektrische, optische of biochemische eigenschappen. Binnen de materiaalkunde wordt daardoor vaak onderscheid gemaakt tussen traditionele keramiek en technische keramiek (advanced ceramics). Dit onderscheid helpt om het brede domein van keramische materialen systematisch te beschrijven.
Traditionele keramiek wordt vervaardigd uit natuurlijke grondstoffen zoals klei en aardmineralen. Binnen deze categorie wordt meestal onderscheid gemaakt tussen grofkeramiek, zoals bakstenen en dakpannen, en fijnkeramiek, waaronder aardewerk, porselein en keramische kunstobjecten.
Technische keramiek wordt daarentegen ontwikkeld met specifieke materiaaleigenschappen of functies als doel. Deze materialen worden vaak synthetisch geproduceerd en kunnen sterk variëren in chemische samenstelling en fysische eigenschappen. Binnen deze groep onderscheidt men structurele keramiek, waarbij mechanische eigenschappen zoals sterkte, slijtvastheid en hittebestendigheid centraal staan, en functionele keramiek, waarbij eigenschappen zoals elektrische, magnetische, optische of biochemische functionaliteit bepalend zijn voor de toepassing. Al vroeg in de twintigste eeuw werd hittebestendig keramiek ingezet bij elektriciteitsmasten en centrales. Keramiek werd essentieel voor hoogspanningsisolatoren en elektronische componenten, vanwege de isolerende eigenschappen en hittebestendigheid. Mijn oma heeft nog drie oude kopstukken met schroefdraadbewerking in de tuin staan, die vroeger boven op een elektriciteitsmast bevestigd zaten.
Veelzijdig perovskiet
Bij keramische materialen is de microstructuur bepalend voor de toepassing – die kan namelijk bijzondere eigenschappen verschaffen. Een kristalstructuur die bij wetenschappers al decennia sterk in de belangstelling staat, is de perovskietstructuur. Perovskiet is een calciumtitaniumoxide (CaTiO3). Stoffen met de algemene chemische formule ABX3 kunnen een perovskietstructuur aannemen (zie afbeelding ). In deze formule stelt A een groot en B een kleiner kation voor (een positief geladen ion) en X een anion (negatief geladen ion, ontstaan doordat een atoom of molecuul één of meer elektronen heeft opgenomen; meestal zuurstof) dat bindt met beide kationen.
De grootte van de verschillende ionen ten opzichte van elkaar, met name de ionstralen, bepalen voor een belangrijk deel hoe stabiel deze zogeheten tetragonale kristalstructuur is. Het kleine B-kation kan in het centrum van de uitgerekte kubus twee energetisch stabiele plaatsen innemen. Vervorming van de ideale structuur resulteert in een elektrische dipool, die het perovskietkristal zijn bijzondere elektrische eigenschappen geeft. Andersom geeft een elektrische spanning over het kristal aanleiding tot vervorming. De flexibiliteit van de bindingshoeken in de structuur maken veel verschillende vervormingen mogelijk.
Materiaalkundigen hebben de afgelopen jaren talrijke en steeds complexere synthetische perovskieten ontwikkeld, zoals bariumtitanaat (BaTiO3), wat een diëlektrisch keramisch materiaal is (een materiaal met zodanige elektrische eigenschappen dat de polarisatie ervan een overheersende rol speelt ten opzichte van elektrische geleiding en magnetisatie), wat toegepast wordt in condensatoren.
Ook loodzirkonaattitanaat wordt ontwikkeld, een materiaal dat een elektrische respons vertoont wanneer er mechanische druk wordt uitgeoefend: mechanische spanning polariseert de kristallen, wat het piëzo-elektrisch effect wordt genoemd. Door de vervorming krijgt elk molecuul een elektrisch dipoolmoment. Perovskieten pas je toe om materialen supergeleidende, magnetoresistente, ionisch geleidende of diëlektrische eigenschappen te geven. Keramische materialen die hun eigenschappen ontlenen aan de perovskietstructuur worden gebruikt in micro-elektronica, maar ook in zonnecellen, leds, sensoren en lasers en in de toekomst mogelijk in nieuwe vormen van computergeheugen (zogenoemde memristors).
Technologische toepassingen
Een voorbeeld van structurele technische keramiek zijn de hittebestendige tegels die werden gebruikt in de ruimtevaart. Space Shuttles waren aan de onderzijde bedekt met ongeveer 24.000 keramische hitteschild-tegels. Tijdens de terugkeer in de aardatmosfeer kan door luchtwrijving de temperatuur aan de buitenkant van de Shuttle oplopen tot meer dan 1.600 °C. De keramische tegels dienden als thermisch beschermingssysteem en voorkwamen dat de structuur van het ruimtevaartuig door de extreme hitte beschadigd raakte. Zelfs kleine beschadigingen konden echter ernstige gevolgen hebben: het verlies of falen van één tegel kon al leiden tot kritieke schade, zoals tragisch bleek bij de Columbia-ramp in 2003.
Keramische supergeleiders
Keramische supergeleiders behoren tot de zogeheten koperoxide-supergeleiders (cupraten). Hun kristalstructuur bevat lagen van koper- en zuurstofatomen die een belangrijke rol spelen in het supergeleidingsmechanisme. Wanneer het materiaal tot onder de kritische temperatuur wordt gekoeld, verdwijnen elektrische weerstand en energieverlies volledig, waardoor elektrische stroom kan blijven circuleren.
Deze curpaten geleiden bij relatief hoge temperaturen zonder weerstand. Een bekend voorbeeld is yttrium-barium-koperoxide (YBa₂Cu₃O₇, vaak afgekort tot YBCO). In tegenstelling tot klassieke metallische supergeleiders functioneert dit YBCO bij temperaturen vanaf 92 K (ongeveer −181 °C), waardoor het kan worden gekoeld met vloeibare stikstof in plaats van het veel duurdere vloeibare helium. Hoe het kan dat dit YCBO supergeleidt bij deze relatief hoge temperatuur is nog onbekend. Misschien is de oorzaak te vinden in “ondeeltjes”, zoals Jans Henke ooit beschreef: Weerstandsloze geleiding met ondeeltjes.
Een belangrijk verschil met metallische supergeleiders is dat deze materialen keramisch en bros zijn. Daardoor zijn ze moeilijk mechanisch te vervormen of tot flexibele draden te verwerken.
Dit probleem kwam ook al voor bij keramiek als kunstvorm – daarom zijn kopjes, schalen en vazen vaak voorzien van glazuur. Glazuren is het aanbrengen van een glasachtige laag die na verhitting zorgt voor een waterdichte, beschermende en decoratieve afwerking. Ook sinteren wordt gebruikt om traditioneel keramiek sterker te maken: een proces waarbij materiaalkorrels in de oven verhit worden tot net onder het smeltpunt, waardoor ze samensmelten tot een dichte, sterke structuur. De productie van keramische supergeleiders gebeurt meestal via dit laatste proces van vaste-stofreacties. Hierbij worden poeders van de juiste metaaloxiden gemengd en vervolgens gecalcineerd en gesinterd bij temperaturen rond 900–950 °C. Tijdens dit proces vormen zich de gewenste kristalstructuren die noodzakelijk zijn voor supergeleiding. Keramische supergeleiders worden zo vaak als dunne films of coatings op flexibele metalen dragers aangebracht, waardoor ze toch bruikbaar worden in kabels of magnetische systemen.
Keramiek vormt een bijzondere brug tussen kunst en natuurkunde. Van handgedraaide potten tot ruimtevaarttechnologie: de eigenschappen van keramiek worden bepaald door atomaire bindingen, kristalstructuren en thermodynamische processen. Er wordt nu zelfs keramisch 3D-geprint, waardoor nog nauwkeurigere onderdelen gemaakt kunnen worden, zowel voor decoratieve als functionele doeleinden. Zo krijgt dit eeuwenoude materiaal dankzij moderne wetenschap steeds weer nieuwe toepassingen.