Alles rijmt op porselein

Een duur fornuis liet Charles C Mann achter met een vraag: wat is Dekton in hemelsnaam?

Ik ben me ervan bewust dat ik een beetje een nerd ben wat betreft keukenapparatuur, oké? Dus misschien hoef je niet zo theatraal met je ogen te rollen als mijn neven deden toen ik vertelde dat mijn vrouw en ik een luxe inductiekookplaat hebben gekocht die, nou ja, behoorlijk prijzig was voor een middenklassepaar. En misschien kun je mijn irritatie begrijpen toen bleek dat die luxe inductiekookplaat – noemde ik al dat hij prijzig was? – niet inclusief het nodige gladde kookoppervlak boven de inductiebranders was. Dat kookoppervlak moest je apart kopen bij een ander bedrijf, een feit dat niet bepaald op de website werd geadverteerd. Bovendien kon het oppervlak niet van gehard glas zijn, wat ik dacht dat standaard op inductiekookplaten zat (een plaat waarvan een vierkante voet misschien 30 dollar kost), maar van een speciaal, nieuw ontwikkeld materiaal genaamd Dekton, dat vijf keer zo duur was. "Wat in hemelsnaam is Dekton?" vroeg ik aan de hemel, of in ieder geval aan mijn vrouw.

Mijn vraag bleek twee antwoorden te hebben. Het eerste is dat Dekton een kunstmatig materiaal is, in 2013 uitgevonden door het Spaanse bedrijf Cosentino, dat verbazingwekkend bestand is tegen hitte, druk, krassen, breuken en vlekken – een hightech substantie die zelfs dertig jaar geleden bijna onmogelijk te vervaardigen zou zijn geweest. Het andere antwoord, dat even waar is, is dat Dekton in feite porselein is.

Paradoxaal genoeg is porselein zowel een van de oudste hightechtoepassingen van de mensheid als een van de nieuwste. Het eerste proto-porselein werd meer dan drieduizend jaar geleden gemaakt en was voor die tijd een verbazingwekkende technische prestatie, net zo ongekend als de ongeveer gelijktijdige ontwikkeling van de ijzermetallurgie. De ijzertechnologie beleefde haar tweede bloeiperiode in het midden van de negentiende eeuw, toen de uitvinding van de Bessemer- en Siemens-Martin-raffinageprocessen fabrikanten in staat stelde om goedkoop, hoogwaardig staal te produceren. Porselein beleeft vandaag de dag zijn wederopstanding – high-tech keramiek is inderdaad een sleutelelement in de huidige opmars van de materiaalkunde, de studie naar de relatie tussen de structuur van een stof en de fysieke eigenschappen ervan.

Er is nu terecht veel aandacht voor de opkomst van de digitale wereld en de explosieve komst van kunstmatige intelligentie. Maar die aandacht maskeert soms de voortdurende, even belangrijke transformatie van onze fysieke wereld, de gebouwde omgeving, door materiaalkunde. Materiaalkunde heeft een stroom van innovaties ontketend die zo alomtegenwoordig zijn dat ze bijna onzichtbaar zijn; het heeft letterlijk de muren om ons heen veranderd. Porselein herinnert ons eraan dat de drang om nieuwe soorten materie te creëren al lange tijd een krachtige rol speelt in de menselijke geschiedenis.

Kaolien

De eerste stappen richting porselein werden gezet toen pottenbakkers in Noord-China begonnen te experimenteren met een ongewone klei, krijtgeel van kleur en fijnkorrelig, genaamd kaolien. Kaolien stond bekend om zijn kleur, die nuttig was in verven, coatings en vulstoffen. Pottenbakkers ontdekten dat het blootstellen van deze zachte, witte, onopvallend ogende modder aan extreme temperaturen verbazingwekkende effecten produceerde.

Gewone klei ziet eruit als amorfe drab, maar bestaat eigenlijk uit enorme hoeveelheden microscopische kristallen. De kristallen hebben een ongebruikelijke structuur: platte plaatjes die op elkaar zijn gestapeld als kaarten in een deck, losjes bij elkaar gehouden door hydroxylgroepen (waterstof en zuurstof aan elkaar gebonden, of -OH in chemische termen). Wanneer klei in een oven wordt gebakken, gaan de hydroxylgroepen trillen en laten ze los, waardoor de plaatjes uit elkaar vallen en zich hervormen tot lange, naaldvormige kristallen die in een stevige structuur in elkaar grijpen. Ondertussen versmelten de vrije hydroxylen tot watermoleculen die in de hete oven verdampen, waardoor zuurstof achterblijft in de nieuwe kristallen.

Kaolienklei is rijk aan kaoliniet, een mineraal gemaakt van aluminium, silicium, zuurstof en waterstof – $\text{Al}2\text{Si}2\text{O}5(\text{OH})4$, waarbij de haakjes betekenen dat elk molecuul vier hydroxylgroepen heeft. Wanneer kaoliniet in een oven wordt verhit, verliest het ook zijn hydroxylen en herorganiseert het zich tot een driedimensionaal web van naaldachtige kristallen. Maar wanneer de temperatuur stijgt tot ongeveer 1.200 graden Celsius, ruim boven het typische niveau voor aardewerk, doet kaolien iets anders. Eerst komen het silicium en de zuurstof vrij en vormen ze silica, wat een dik vloeibaar glas vormt. Dit vult alle ruimtes rondom en binnenin het web van naalden, waardoor een dichte, continue, doorschijnende matrix ontstaat: porselein.

In China, zoals overal elders, was keramiek al millennia een fundamentele industrie. Klei was een primair onderdeel van de bouw (bakstenen, adobe, vlechtwerk en leem), koken (potten, servies), kunst (verf en beeldhouwwerk) en zelfs communicatie – kleitabletten waren de eerste oppervlakken die voor het schrijven werden gebruikt. Maar porselein was een enorme sprong voorwaarts, een opeenvolging van meerdere innovaties.

Gewone ovens konden niet de temperaturen bereiken die nodig waren om porselein te bakken, mede omdat hun afvoerpijpen in het 'dak' de hete lucht bijna net zo snel lieten ontsnappen als deze werd geproduceerd, waardoor de oven afkoelde. Chinese pottenbakkers ontwierpen downdrafts (neerwaartse trek), die de hete lucht dwongen via bodemopeningen te ontsnappen, waardoor de hitte rond het aardewerk bleef hangen. Alarmerend genoeg zouden gewone ovens bij zulke hoge temperaturen barsten of zelfs smelten. Chinese pottenbakkers vonden daarom nieuwe soorten hittebestendige bakstenen uit. En zo ging het verder.

Alltinktur

Toen Europeanen voor het eerst Oost-Aziatisch porselein zagen, waarschijnlijk in de dertiende eeuw, waren ze versteld. Harder, sterker, fijner, gladder en glanzender dan elk ander aardewerk; het werd een obsessief verlangensobject, 'wit goud' voor de rijken en machtigen van het continent. Enorme sets glanzend wit porselein werden symbolen van luxe – de privévliegtuigen en exclusieve clubs van het renaissance-tijdperk.

Ontevreden over de hoge prijzen die werden gevraagd door de handelaren die porselein uit Azië importeerden, gaven Europese elites enorme bedragen uit aan pogingen om hun eigen porselein te maken – en faalden ze daar gedurende enkele eeuwen volledig in.

Een kernprobleem was dat niemand op het continent wist dat porselein werd gemaakt van kaolien. Of dat kaoliniet alleen eigenlijk niet genoeg vloeibaar silicaatglas bevatte om echt porselein te maken, waardoor Chinese pottenbakkers vermalen 'China-steen' – een type gedeeltelijk verweerde graniet dat silicium bevat – aan de kaoliniet toevoegden.

Om hun producten porselein-wit te maken, voegden Europese pottenbakkers materialen toe zoals tinoxide en gemalen glas aan de klei, een aanpak die leidde tot Italiaanse maiolica, Franse faience en Delfts blauw. De resultaten waren vaak prachtig, maar misten de waterdichtheid, de hoge treksterkte en de karakteristieke klank van porseleinen kopjes wanneer men er met een lepel tegenaan tikt.

Toen kwam graaf Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1651–1708), een wiskundige, fysicus en filosoof geboren in het Keurvorstendom Saksen. Tschirnhaus studeerde aanvankelijk wiskunde en filosofie, maar raakte in zijn twintiger jaren gefascineerd door porselein. Vanaf ongeveer 1679 voerde hij een reeks experimenten uit waarbij hij concave koperen spiegels gebruikte om intens heet zonlicht op verschillende soorten metalen, mineralen en keramiek te richten. Uiteindelijk realiseerde hij zich dat glazen lenzen beter presteerden dan spiegels en vond hij een methode uit om glas te gieten om grote, dikke lenzen te maken voor het focussen van zonlicht. Hij stuurde monsters van de resultaten naar Europese monarchen in een onsuccesvolle poging om financiële steun te krijgen voor de oprichting van een wetenschapsacademie in Saksen.

In de winter van 1693–94 ontdekte Tschirnhaus een verrassing: een type klei dat niet smolt. Deze klei, opgegraven in Colditz (ongeveer 25 mijl ten zuidoosten van Leipzig in Saksen), bevatte kaolien (wat Tschirnhaus uiteraard niet wist). Door albast of krijt aan de klei toe te voegen en het mengsel te verhitten, ontstond een hard, geel, enigszins doorschijnend keramiek dat Tschirnhaus 'wasporselein' noemde. Helaas kon hij dit niet in grote hoeveelheden produceren – zijn lenzen konden zonlicht focussen op een gebied van 10 tot 15 vierkante centimeter, maar konden geen ruimtes van enige omvang verhitten. Wanneer hij probeerde zijn porselein in commerciële ovens te bakken, barstten of smolten hun wanden. Tschirnhaus worstelde met de ontwikkeling van een betere oven toen hij werd benaderd door Augustus de Sterke, de heerser van Saksen.

Een paar jaar eerder had een jonge kwakzalver in Pruisen genaamd Johann Friedrich Böttger laten weten dat hij de Alltinktur had ontdekt, een alchemistische substantie die elke ziekte genas en onedel metaal in goud veranderde. In een klassiek voorbeeld van "acties hebben consequenties" liet de goudhongerige koning van Pruisen, die de Alltinktur wilde monopoliseren, Böttger onmiddellijk in 'beschermende bewaring' nemen. Böttger ontsnapte naar Saksen, waarna hij werd gegrepen door de even goudhongerige heerser Augustus de Sterke, opgesloten in een zolderkamer van een fort buiten Dresden, en de opdracht kreeg goud te produceren. Böttger zwoegde jarenlang en beloofde voortdurend 'alchemistisch goud' te leveren. Verrassend genoeg lukte dit hem niet. Augustus raakte gefrustreerd en vroeg in 1704 aan Tschirnhaus om het werk aan de Alltinktur te begeleiden. Tschirnhaus, die geen enkele interesse had in alchemie, nodigde Böttger uit om in plaats daarvan samen met hem aan porselein te werken. Om zijn hachje te redden, stemde Böttger onwillig toe.

Tschirnhaus, Böttger en Gottfried Pabst von Ohain, een hooggeplaatste mijnfunctionaris (in die tijd het dichtstbijzijnde equivalent van een geowetenschapper), ontwikkelden een rode klei die kon worden omgezet in bakstenen die geschikt waren voor porseleinovens. In juni 1708 vond Pabst von Ohain een bron van witte klei – bijna puur kaolien, hoewel hij dat niet wist – en stuurde dit naar de andere twee. Door de witte klei te mengen met gemalen kalksteen en dit in ovens te bakken die gemaakt waren van de nieuwe rode klei, creëerde Tschirnhaus in augustus en september eigenhandig een kopje dat eruitzag en zich gedroeg als wit Chinees porselein.

Hij leefde niet lang genoeg om van zijn triomf te genieten. In oktober stierf Tschirnhaus plotseling, naar verluidt aan dysenterie. Op zijn sterfbed gaf hij Pabst von Ohain een zwarte kist vol documenten. De kist werd na de dood van Böttger in diens bezittingen aangetroffen, wat wellicht verklaart waarom Böttger in maart 1709 aan Augustus schreef dat hij de enige ontdekker van het proces om porselein te maken was. Augustus richtte het volgende jaar officieel de Royal Porcelain Manufacture op in Meissen, een ander klein stadje nabij Dresden, en stelde Böttger aan als hoofd. Het duurde nog tien jaar voordat de arbeiders ontdekten dat 'China-klei' (of preciezer, een vergelijkbare lokale steen) een betere additief was dan kalksteen. Meissen werd vervolgens het Europese centrum voor porselein. Augustus verdiende zoveel geld dat hij een 'Japans paleis' bouwde, dit vulde met Meissen-kopieën van Aziatische originelen, en tegen bezoekers opschepte dat hij de Chinezen had verslagen – wat correct was, aangezien Meissen-porselein harder en minder poreus was dan het origineel.

Dekton

Als Meissen Porselein 2.0 was, dan is de Dekton voor mijn kookplaat Porselein 3.0 of hoger. Dekton wordt gemaakt door een slurry van gemalen porselein, glas en kwarts te bakken tot platen, deze platen door een enorme hydraulische pers te halen die 25.000 ton druk uitoefent, en ze vervolgens te harden bij 1.200 graden Celsius. De uitvinding van Dekton kostte zes jaar en bijna 200 miljoen dollar. Traditionele keramiek bevat microscopische holtes en fouten die fungeren als 'stressconcentratoren'; ze focussen de energie van impacts in plaats van deze te verspreiden, wat ervoor zorgt dat ze barsten. De hoge druk en hitte die worden gebruikt om Dekton te produceren, zorgen ervoor dat atomen in de deeltjes van kaoliniet en kwarts diffunderen over de grenzen waar ze elkaar raken, waardoor het geheel verandert in wat in feite één solide massa is. Bijgevolg heeft Dekton de langdurige zwakte van porselein – de brosheid en structurele fragiliteit – bijna volledig geëlimineerd.

Dekton is slechts een onderdeel van een voortdurende wederopstanding van porselein, die op haar beurt deel uitmaakt van de grotere revolutie in de materiaalkunde. Het vakgebied werd opgericht in de jaren 40 en 50, toen natuurkundigen, chemici en ingenieurs tijdens de Tweede Wereldoorlog, de Koude Oorlog en de ruimtewedloop moesten samenwerken. Maar het nam pas echt een vlucht in de jaren 80 en 90, met de ontwikkeling van precisietechnieken voor meting en productie. De meeste innovaties waren incrementeel, maar het cumulatieve totaal heeft een enorme impact gehad op ons dagelijks leven.

Om een persoonlijk voorbeeld te geven: mijn overleden schoonmoeder raakte permanent gewond nadat ze uitgleed op een natte porseleinen badkamertegel – iets wat tienduizenden mensen in de Verenigde Staten elk jaar overkomt. In het verleden maakten bedrijven antisliptegels door ze te coaten met ruwe, gekartelde korrels – een beetje alsof je schuurpapier over het oppervlak legt, wat in huis terecht onpopulair was. Tien jaar geleden introduceerden Italiaanse en Spaanse tegelproducenten zoals Ceramica Sant’Agostino en Inalco 'nat-geactiveerde' of 'in-out' tegels, met speciale kristallijne verbindingen die in het oppervlak zijn gebakken. In droge toestand zien en voelen ze aan als gewone porseleinen tegels. Maar wanneer ze nat zijn en iemand erop stapt, drukt de druk het water in duizenden poriën op het oppervlak, waardoor een zuignapeffect tussen voet en tegel ontstaat, wat ze onmiddellijk minder glad maakt. (Hoeveel lijden zullen nat-geactiveerde tegels voorkomen? Een ruwe schatting suggereert dat dit, in termen van voorkomen sterfgevallen, gelijk zou staan aan het genezen van kinderleukemie.)

Nog een persoonlijk voorbeeld: mijn dochter, die op elfjarige leeftijd een zeldzame botinfectie kreeg, heeft nu een porseleinen heupgewricht. Porselein, omdat eerdere implantaten van kobalt en chroom metaalionen in de bloedbaan kunnen afgeven, die kunnen migreren naar de placenta van zwangere vrouwen en potentieel de foetus kunnen schaden. Ongeveer in dezelfde periode dat keramieurbedrijven nat-geactiveerde tegels introduceerden, zetten onderzoekers 3D-printen in om poreuze, roosterachtige 'biokeramische' structuren te creëren om defect bot te vervangen. Deze structuren zijn geen permanente vervangingen, maar steigers (scaffolds) die ervoor zorgen dat bloedvaten en botcellen in de ruimtes van het biokeramiek kunnen migreren. Na verloop van tijd lost de porseleinstructuur op en wordt deze vervangen door het eigen weefsel van de patiënt (de steiger wordt vervolgens door het lichaam uitgestoten).

Ik zou kunnen doorgaan over het gebruik van nanotechnologie om porseleinporiën te vullen voor een diepere kleur en betere vlekbestendigheid, het voorzien van porselein met zilverionlagen om de antimicrobiële werking te vergroten, of het gebruik van lithiumdisilicaat om ultradunne tandimplantaten van ongekende sterkte te maken. Maar misschien is de beste manier om het te zeggen dat mijn grootmoeder, die trots het eierschaal-dunne Meissen-porselein van haar moeder op het dressoir exposeerde, verbijsterd zou zijn als ze ontdekte dat ik kook op een dunne plaat porselein, waarbij ik achteloos zware potten kokend water op het oppervlak laat vallen. Maar toen ik probeerde uit te leggen hoe opmerkelijk dit is aan mijn zoon, keek hij me glazig aan. Hij heeft nooit in een wereld geleefd die niet van porselein was gemaakt.