Maria Santofimia Navarro is over de hele wereld bekend vanwege haar onderzoek naar geavanceerde hoge-sterktestalen. Met haar team bestudeert Santofimia de invloed van de microscopische structuur van staal op de fysische eigenschappen van het materiaal, aan de hand van fundamenteel theoretisch onderzoek, geavanceerde simulatietechniek en hoge-resolutie-experimenten. Deze kennis over de microstructuur van materialen zet ze in voor het ontwerp van “groenere”, duurzamere soorten staal.
Alchemie
‘Wat wij in het lab doen, is eigenlijk een soort alchemie,’ lacht Santofimia terwijl ze beschrijft hoe ze met haar team werkt aan het ontwerp van een nieuwe soort staal. ‘We zorgen dat een bepaalde microstructuur ontstaat door te kiezen voor een specifieke chemische samenstelling en hittebehandeling. Dat niveau van controle was in het verleden onmogelijk.’
Microstructuur
Staal is een legering van ijzer en koolstof, met andere elementen. Santofimia: ‘Als je staal onder een microscoop bekijkt, zie je geen continuüm, maar een microstructuur. Die microstructuur wordt gevormd door aggregaten die we “korrels” (grains) noemen. Die korrels lijken een beetje op cellen in natuurlijke weefsels, maar het zijn in feite kristallen en precipitaten met verschillende atoomstructuren en vormen, bijvoorbeeld rond of ellipsvormig. Ook verschillen ze in omvang, samenstelling en oriëntatie. Aan de hand van zowel de chemische samenstelling van het staal als het soort hittebehandeling kunnen we die microstructuur wijzigen en verschillende soorten staal produceren met verschillende eigenschappen.’
Dat is heel handig, want staal wordt overal op toegepast, terwijl het staal dat voor messen wordt gebruikt totaal anders is dan dat voor sleutels, auto’s of gebouwen. Elke staalsoort heeft immers zijn eigen fysische eigenschappen. ‘Als je de microstructuur van al die materialen onder de microscoop bekijkt, zijn ze allemaal totaal verschillend. En toch noemen we het allemaal staal.’
Zwaard smeden in de smidse
Ook voordat mensen iets wisten van het bestaan van microstructuren, realiseerden ze zich al dat het maakproces van staal, en dan met name de verhitting en afkoeling, even belangrijk is als de samenstelling van de legering: ‘Als je iemand in een film een zwaard ziet maken, dan verhitten ze het staal, slaan er een vorm in en doen het vervolgens in koud water – magie! Maar dat is natuurlijk helemaal geen magie. We weten inmiddels dat deze stappen nodig zijn om de microstructuren te creëren die het zwaard zijn specifieke eigenschappen geven.’ Microstructurele veranderingen worden gestuurd door natuurkundige, thermodynamische en kinetische wetten. Dat wil zeggen dat temperatuurwijzigingen en specifieke snelheden van verhitting en afkoeling het gedrag van atomen beïnvloeden, waardoor bepaalde microstructuren ontstaan. ‘Wanneer we inzicht hebben in deze microstructurele veranderingen kunnen we dus verschillende soorten staal maken, met specifieke eigenschappen.
Als je de microstructuur van al die materialen onder de microscoop bekijkt, zijn ze allemaal totaal verschillend. En toch noemen we het allemaal staal.
Van Toegepaste Natuurkunde in Andalusië tot Metallurgie in Madrid
Santofimia groeide op in Cordoba, in het zuiden van Spanje. Ze studeerde daar ook natuurkunde en was van plan er te promoveren in de optica. ‘Maar ik vroeg ook beurzen aan voor andere universiteiten. Er is heel veel potentieel in Andalusië, maar er waren maar weinig plekken voor een beurs in het zuiden van Spanje.’
Uiteindelijk koos ze voor een promotieonderzoek in Metallurgie aan het Centro Nacional de Investigaciones Metalurgicas (Nationaal centrum voor metallurgisch onderzoek) in Madrid. Santofimia, lachend: ‘Je vraagt je misschien af waarom. Maar ik wilde aan een Europees project werken, en samenwerken met de industrie. Ik wilde bezig zijn in een onderzoeksveld waarin ik de directe toepassing kon zien van natuurkundige principes op materialen. Dat had ik tijdens mijn eerdere studietijd niet gezien.’
Andere aanpak
Na haar promotie wist Santofimia in eerste instantie niet of ze door wilde gaan in de academische wereld. Maar toen ze de kans kreeg om als postdoc onderzoek te doen bij de afdeling Materials Science Engineering aan de TU Delft – in samenwerking met TATA Steel Nederland – hakte ze de knoop door. ‘Ik kreeg de mogelijkheid om hier in Delft onderzoek te doen naar een onderwerp dat verband hield met mijn promotieonderzoek, namelijk de ontwikkeling van staalsoorten met een nieuwe microstructuur en verbeterde mechanische eigenschappen, met een andere benadering wat betreft hittebehandeling en de invloed daarvan op de microstructuur.’
En dat was niet het enige dat anders was: ‘Toen ik aan mijn promotieonderzoek begon, bleek dat de onderzoeksaanpak heel anders was dan wat ik gewend was,’ herinnert Santofimia zich. ‘Ik vroeg altijd: “Zal ik dit bekijken of zal ik dát doen?” Maar mijn toenmalige supervisor, professor Jilt Sietsma, gaf me alle ruimte om mijn eigen vragen te formuleren.’
Onverwachte resultaten
Santofimia herinnert zich ook nog dat een van haar experimenten anders verliep dan ze verwachtte. ‘Ik ging naar Jilt en zei: “Ik kreeg dit als resultaat, ik weet niet hoe dat kan, dus ik stap over op ander materiaal.” Maar toen zei hij: “Echt niet! Jij gaat uitzoeken hoe dit zit!” Dat was echt een eyeopener voor me.’
Wat Santofimia had ontdekt, bleek een nieuwe microstructurele component die in het materiaal ontstond tijdens het afkoelingsproces. ‘Dit hadden we niet verwacht omdat in principe de groei van deze fase verband houdt met de herverdeling van traag bewegende legeerelementen. In dit geval zagen we echter dat er bij het groeimechanisme alleen sprake was van herverdeling van koolstofatomen, die klein zijn en zich snel verspreiden, terwijl de rest van de legeerelementen op hun plek bleef. Het onderzoek naar dit onverwachte verschijnsel pakte heel goed uit, omdat we hierover verschillende artikelen konden publiceren.’
Hoogleraar Fysische Metaalkunde
Na enige tijd te hebben gewerkt aan het Madrid Institute for Advanced Studies of Materials (IMDEA-Materials) besloot Santofimia om naar Nederland terug te keren. ‘Dat was een grote stap, maar ik ging na negen maanden in Madrid toch terug naar Delft om weer als postdoc te beginnen. In die periode vroeg ik ook een Starting Grant aan van de European Research Council (ERC), en een Fellowship-beurs en een Vidi-beurs. Die werden uiteindelijk allemaal toegekend. En toen werd ik in 2017 aangesteld als hoogleraar Fysische Metaalkunde.’
Duurzaamheid en de levenscyclus van staal
Een van de grootste uitdagingen waar de staalindustrie momenteel voor staat is om het totale productieproces veel “groener” te maken. Santofimia werkt samen met verschillende staalbedrijven om hen te helpen verduurzamen. ‘Volgens mij is het van groot belang om te kijken naar de hele levenscyclus van staal, dus de productie, de verwerking, de toepassing en de recyclemogelijkheden, en om er met de industrie voor te zorgen dat staal duurzamer wordt in al die fases. Daar wil ik me in de toekomst meer op gaan richten. Tot nu toe heb ik gekeken naar individuele duurzaamheidsaspecten in de verwerking en toepassing van staal, maar nu wil ik op zoek gaan naar een holistischer aanpak.’
Het is van groot belang om te kijken naar de hele levens- cyclus van staal, en om er met de industrie voor te zorgen dat staal duurzamer wordt in al die fases.
Schroot recyclen voor nieuw staal
Naast de ontwikkeling van nieuwe productietechnologieën voor “groen staal” met behulp van hernieuwbare waterstofbronnen, wordt ook gezocht naar mogelijkheden om zo veel mogelijk gebruik te maken van schroot voor het maken van nieuw staal. ‘Staalfabrieken moeten recyclingtechnologieën toepassen waarbij meer schroot wordt gebruikt. In de afgelopen twintig jaar is de staalproductie wereldwijd enorm toegenomen, dus dat betekent dat er in de toekomst ook veel meer staal is dat kan worden gerecycled. Idealiter zouden we dat allemaal opnieuw kunnen gebruiken.’
Dat is natuurlijk een goed idee, maar uitdagingen zijn er ook. Zo bevat schroot vaak andere elementen, zoals koper dat wordt gebruikt voor snoeren en coatings, legt Santofimia uit. ‘Ik wil dan ook uitzoeken hoe we deze “vervuilende” elementen in het materiaal kunnen gebruiken, in plaats van ze direct te verwijderen uit het productieproces. Hoe zouden we ze bijvoorbeeld kunnen opnemen in de microstructuur of hoe kunnen we schadelijke effecten op de eigenschappen en prestaties van het staal beperken? Dat wordt een enorme uitdaging.’
Combinatie van experimenteel en theoretisch onderzoek
De zoektocht van Santofimia naar verbeterde staalsoorten komt niet alleen voort uit een duurzaamheidsgedachte, maar ook uit nieuwsgierigheid. ‘Ik wil graag nieuwe dingen leren, inzicht krijgen in wat we waarnemen onder verschillende omstandigheden en nieuwe velden binnen de staalproductie ontdekken.’ Dat soort kennis kan rechtstreeks worden toegepast als het gaat om duurzaamheid. ‘Zo zouden we bijvoorbeeld bepaalde staalsoorten op een energiezuiniger manier kunnen maken, of staalsoorten kunnen produceren met betere mechanische eigenschappen. Die kunnen we dan toepassen voor dunnere onderdelen, waardoor we minder materiaal hoeven te gebruiken. Of bijvoorbeeld door te onderzoeken hoe we staal kunnen maken met belangrijke eigenschappen, met minder elementen die schaars zijn, of van strategisch belang, zoals nikkel.’
De toekomst van staal?
Voor haar onderzoek combineert Santofimia hoge-resolutie-experimenten met fundamenteel theoretisch onderzoek en geavanceerde simulatietechnieken. ‘Simulaties zijn noodzakelijk omdat het gaat om processen die binnen het materiaal op atomische schaal plaatsvinden, wat betekent dat ze meestal niet experimenteel kunnen worden waargenomen. Het is mijn grote wetenschappelijke droom om aan de hand van alleen modellen te kunnen voorspellen hoe een microstructuur verandert tijdens een bewerking, en hoe die microstructuur de eigenschappen bepaalt. We zouden zo dus het experimentele stadium, dat veel tijd en energie kost, helemaal kunnen overslaan.’
Hoe ziet Santofimia intussen de toekomstige staalproductie voor zich? ‘Ik zou het geweldig vinden als onze kinderen en kleinkinderen zich niet druk zouden hoeven maken over duurzaamheid. Als alle benodigde maatregelen en technologieën er al zouden zijn, zodat we onze huidige duurzaamheidsproblemen niet aan ze hoeven door te geven. Die problemen hadden we al moeten aanpakken toen we ze vijftig jaar geleden ontdekten. En daar zijn we nu mee bezig.’
