Schoenletters, kerstboomornamenten en die heel bekende ijstaart met de knapperige laagjes: voor veel mensen is chocola onlosmakelijk met de feestdagen verbonden. Bijna niemand die zich realiseert dat het maken van romige, zachte chocola heel veel overeenkomsten vertoont met het maken van ijzersterk staal.
In materiaal kijken
De mensheid gebruikt al duizenden jaren staal, maar tot voor kort was de productie een kwestie van vallen en opstaan. “Een zwaardsmid in de Middeleeuwen wist niet wat wij nu weten. Was een zwaard goed gelukt, dan werd het als een ‘magisch’ zwaard gezien; de rest kon weer de smeltpot in”, vertelt Jilt Sietsma, hoogleraar Microstructure Control in Metals. “Een goede smid was dus een bepalende factor in de veiligheid van steden”, vult Dr. Marcel Sluiter, Universitair Hoofddocent in Computational Materials Science, aan. “Twee ontdekkingen aan het eind van de negentiende eeuw hebben onze inzichten in staal enorm vooruit gebracht: het elektron en de röntgenstraling. Met röntgentechnieken en elektronenmicroscopen kunnen we tegenwoordig op het kleinste niveau de structuur van materialen bekijken; het elektron is bepalend voor die structuur”, zegt Sietsma.
Faseovergang in vaste stof
Een belangrijke waarneming die zo kon worden gedaan was dat staal faseovergangen ondergaat in de vaste stof. We kennen fasen in het dagelijks leven als de overgang van vloeibaar naar vast of gas, of omgekeerd, maar bij een faseovergang in de vaste stof rangschikken de atomen zich in een andere kristalstructuur. “Staal bestaat voor ongeveer 96 gewichtsprocent uit ijzer en voor een half gewichtsprocent uit koolstof. Bij kamertemperatuur ligt de kristalstructuur vast, maar als je het opwarmt, verandert de manier waarop de koolstofatomen in het ijzer zitten en op iets grotere schaal, de microstructuur, vormt zich een enorme verzameling kristalletjes ”, zegt Sietsma. Het zijn deze microstructuren die verantwoordelijk zijn voor de eigenschappen van staal.
Opwarmen en afkoelen
Om die microstructuren te beïnvloeden wordt staal opgewarmd tot 900 graden, de zogenaamde gammafase, maar we gebruiken het staal op kamertemperatuur, dus het wordt weer afgekoeld. “Atomen zijn altijd onderweg naar een evenwichtstoestand. Met afnemende temperaturen kunnen ze zich steeds langzamer bewegen; het gaat er dus om hoeveel tijd we die atomen gunnen”, legt hij uit. “De truc is om ze geen evenwichtstoestand te laten bereiken, maar een tussenvorm, zodat je een microstructuur bereikt die tussen de ene en de andere toestand zit. Je onderbreekt dat omzettingsproces door snel af te koelen naar kamertemperatuur.”
Persen en walsen
De verschillende microstructuren ontstaan niet alleen door temperatuurveranderingen, maar ook door mechanische behandelingen als persen of walsen. “Door die behandelingen af te wisselen tijdens de productie kun je heel veel verschillende eigenschappen creëren en zo bijvoorbeeld de sterkte met een factor tien verhogen. Dat gebeurt op heel grote schaal, waarbij plaatmateriaal een specifiek gekozen temperatuur-tijd profiel doorloopt”, vertelt Sluiter.
Sterkte vs. vervormbaarheid
Twee belangrijke eigenschappen van staal zijn de sterkte en de mate waarin het kan vervormen, de ductiliteit. “Voor verschillende toepassingen maak je een afweging tussen sterkte en vervormbaarheid. Je wilt bijvoorbeeld dat de kreukelzone van een auto de energie van een botsing maximaal opvangt, dus dat materiaal moet zo vervormbaar mogelijk zijn.” Ook hier speelt de microstructuur een rol, want grote kristallen zijn beter vervormbaar, maar minder sterk, terwijl kleine kristallen sterk maar minder ductiel zijn. Een uitdaging in het onderzoek is om zowel de sterkte als de rek van staal te vergroten, bijvoorbeeld om lichtere auto’s te kunnen maken.
Materiaalkunde
Dat de microstructuur leidt tot bepaalde eigenschappen leidt geldt niet alleen voor staal; het is het centrale thema van de materiaalkunde. “Staal is echt bijzonder, vanwege die faseveranderingen in de vaste stof die zoveel mogelijkheden tot variaties in de eigenschappen geven. Maar ook bij glas, plastic of beton spelen de microstructuren een rol om tot de eigenschappen te komen. Dat is voor alle materialen hetzelfde”, zegt Sluiter. “Die eigenschappen zijn het resultaat van de gekozen samenstelling, de daaropvolgende bewerking en de daaruit voortvloeiende microstructuur”, vertelt Sietsma. “Voor de ontwikkeling van materialen redeneer je meestal andersom. Al naar gelang de gewenste eigenschappen, bekijk je welke microstructuur daarvoor nodig is en hoe je die bereikt.”
Overeenkomsten staal en chocola
Net zoals in de materiaalkunde spelen microstructuren een grote rol in het voedingsonderzoek, waar ze eigenschappen als smaak en houdbaarheid beïnvloeden. De overeenkomsten tussen staal en chocola zijn opvallend groot: “Temperatuursveranderingen, faseovergangen, deformatie: het is voor chocola allemaal vergelijkbaar”, zegt Sluiter. “De atomen in chocola streven naar een evenwicht. Dat is weer afhankelijk van de samenstelling, de temperatuur en manier waarop je deformeert. Voor chocola geldt eveneens dat de evenwichtsstructuur niet de structuur is die je wilt hebben. Als dat zo was, was de fabricatie een stuk makkelijker.”
Temperen van chocola
Het deformeren van chocola wordt concheren genoemd, of ook wel walsen, net als bij staal. Het vindt plaats tijdens het mengen van de cacao, cacaoboter, suiker, melkpoeder en andere ingrediënten. Daarna volgt het tempereren. “De temperatuursbehandeling van chocola is net als bij staal heel belangrijk, omdat dan de microstructuur gevormd wordt”, legt Sluiter uit. Chocolade is een complex product met zes verschillende kristalvormen die kunnen voorkomen. “Kristalvorm vijf is degene waar de chocolademaker naar streeft. Het heeft een smeltpunt van 32 à 34 graden. De temperatuursverschillen tussen de diverse vormen liggen echter heel dicht bij elkaar. Als de stolling, het afkoelen, niet goed gebeurt, dan kom je dus in de verkeerde chocolafase terecht. Dan smelt het te snel of juist helemaal niet. Dat komt de beleving niet ten goede.”
Chocolade is instabiel. Dat kun je zien als je chocola te lang of te warm bewaart. De chocola verliest zijn glans en krijgt een witte uitslag van suiker of vet – een teken dat de chocolade zich ontwikkelt richting kristalvorm zes.
Wetenschap van staal en chocola
Het maken van chocolade is dus pure materiaalkunde. Dat maakt het ook een mooi onderwerp om over wetenschap te praten, zeker in de decembermaand. In december 2018 hield Marcel Sluiter een lezing bij de Universiteit Twente in Enschede. Hij deed dat samen met lokale chocolatier Jan Meen. “De deelnemers kregen allemaal een zakje chocola dat ze tijdens de lezing mochten proeven om de verschillende fasetoestanden te ontdekken”, vertelt Sluiter.
In maart 2017 vond er in Delft zelfs een heel symposium plaats waar chocolade- en staalexperts van de vier technische universiteiten spraken over de onderliggende processen en structuren van chocolade en staal. “De principes van de thermodynamica en de kinetische processen die staal en chocola delen, begrijpen we al goed. 100 jaar geleden was dat misschien anders geweest; toen waren die basisprincipes nog niet zo bekend. Het huidige onderzoek richt zich op de details van de processen en daarin zitten toch verschillen tussen staal en chocola.”, zegt Sietsma.
Toekomstbestendig
Dat betekent zeker niet dat er in het staalonderzoek niets meer is te ontdekken. Eén onderzoeksrichting is het verbeteren van het hoogovenproces. “Er komt veel CO2 vrij bij de productie van staal, vooral tijdens het onttrekken van ijzer uit ijzererts. Die stap is dus heel belangrijk voor het verduurzamen van de staalindustrie”, stelt Sietsma. Wel is staal al het meest hergebruikte materiaal ter wereld: in 2014 werd wereldwijd 86 procent van het staalafval gerecycled. “Staal kan eindeloos worden hergebruikt; dat gaat veel beter dan bijvoorbeeld plastic”, zegt Sluiter. Toch wordt er nog jaarlijks nog zo’n 1.800 miljoen ton staal gefabriceerd. Dat komt omdat we nieuwe steden, bruggen en spoorwegen blijven bouwen. “Maar de grondstoffen voor dat staal, ijzer en koolstof, zijn goedkoop en ruim voor handen. Verder zitten er weinig bijzondere bestanddelen in. Staal is dus een zeer toekomstbestendig materiaal.”
Marcel Sluiter
