Porselein

Ik geef toe dat ik een beetje een nerd ben als het gaat om keukenapparatuur. Dus misschien moet u niet zo theatralisch met uw ogen rollen als mijn neven deden toen ik vertelde dat mijn vrouw en ik een luxe inductiekookplaat hadden aangeschaft die, nou ja, behoorlijk prijzig was voor een echtpaar uit de middenklasse.

En misschien kunt u mijn irritatie begrijpen toen bleek dat deze luxe inductiekookplaat – heb ik al gezegd dat hij prijzig was? – niet inclusief het nodige gladde kookoppervlak boven de inductiebranders was. Dat kookoppervlak moest apart worden gekocht bij een ander bedrijf, een feit dat niet bepaald werd geadverteerd op de website. Bovendien kon dit oppervlak geen gehard glas zijn, wat ik had gedacht dat op inductiekookplaten zat (een plaat waarvan een vierkante voet ongeveer 30 dollar kost), maar een speciaal, nieuw ontwikkeld materiaal genaamd Dekton, dat vijf keer zo duur was. "Wat in vredesnaam is Dekton?" vroeg ik aan de hemel, of althans aan mijn vrouw.

Mijn vraag bleek twee antwoorden te hebben. Ten eerste is Dekton een kunstmatig materiaal dat in 2013 is uitgevonden door het Spaanse bedrijf Cosentino. Het is verbazingwekkend bestand 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 evenzeer waar is, is dat Dekton in feite porselein is.

Paradoxaal genoeg is porselein zowel een van de oudste als een van de nieuwste hightech-ontwikkelingen van de mensheid. Het eerste proto-porselein werd meer dan drieduizend jaar geleden gecreëerd en was voor die tijd een verbazingwekkende technische prestatie, even ongekend als de ongeveer gelijktijdige ontwikkeling van de ijzermetallurgie. De ijzertechnologie kende 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 wedergeboorte; hightech keramiek is immers een sleutelelement in de huidige opmars van de materiaalwetenschap: de studie naar de relatie tussen de structuur van een stof en diens fysieke eigenschappen.

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 en de gebouwde omgeving door materiaalwetenschap. Door een waterval van innovaties te ontketenen die zo alomtegenwoordig zijn dat ze bijna onzichtbaar zijn, heeft materiaalwetenschap 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 ongebruikelijke klei, krijtwit van kleur en fijnkorrelig, genaamd kaolien. Kaolien stond bekend om zijn kleur, die nuttig was in verven, coatings en vulmiddelen. Pottenbakkers ontdekten dat het blootstellen van deze zachte, witte, onopvallend ogende modder aan extreme temperaturen verbazingwekkende effecten had.

Gewone klei ziet eruit als een amorfe klomp, maar bestaat eigenlijk uit enorme aantallen microscopische kristallen. Deze kristallen hebben een ongebruikelijke structuur: platte plaatjes die op elkaar gestapeld zijn als kaarten in een spel, losjes bij elkaar gehouden door hydroxylgroepen (waterstof en zuurstof die aan elkaar gebonden zijn, 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 elkaar grijpen tot een stevige structuur. Ondertussen versmelten de vrije hydroxylgroepen tot watermoleculen die als stoom uit de hete oven ontsnappen, 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 hydroxylgroepen en reorganiseert het zich tot een driedimensionaal web van naaldachtige kristallen. Maar wanneer de temperatuur stijgt tot ongeveer 1.200 graden Celsius, ver boven het typische niveau voor aardewerk, gebeurt er met kaolien iets anders. Het silicium en de zuurstof komen vrij en vormen 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, net als overal elders, was keramiek al millennia een fundamentele industrie. Klei was een primair onderdeel van de bouw (bakstenen, adobe, vlechtwerk met leem), koken (potten, servies), kunst (verf en beeldhouwwerk) en zelfs communicatie – kleitabletten waren de eerste oppervlakken die voor het schrift werden gebruikt. Maar porselein was een gigantische sprong, een samenloop van meerdere innovaties.

Gewone ovens konden niet de temperaturen bereiken die nodig waren om porselein te bakken, mede omdat hun afvoerkanalen in het 'dak' de hete lucht bijna net zo snel lieten ontsnappen als dat deze werd geproduceerd, waardoor de oven afkoelde. Chinese pottenbakkers ontwierpen downdrafts (neerwaartse trek), die de hete lucht dwongen via vloerventilatoren te ontsnappen, waardoor de hitte rond het aardewerk werd vastgehouden. 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. Het was harder, sterker, fijner, gladder en glanzender dan elk ander aardewerk en werd een obsessief object van verlangen, 'wit goud' voor de rijken en machtigen van het continent. Enorme sets glanzend wit porselein werden symbolen van luxe – de privéjets en exclusieve clubs van het renaissance-tijdperk.

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

Een kernprobleem was dat niemand op het continent wist dat porselein werd gemaakt van kaolien. Bovendien bevat kaoliniet alleen niet genoeg glasachtig vloeibaar silicaat om echt porselein te maken; Chinese pottenbakkers voegden daarom verpulverde 'China-steen' toe – een type gedeeltelijk verweerd graniet dat silicium bevat – aan de kaoliniet.

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

Toen verscheen 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 voor grote, dikke lenzen om zonlicht te focussen. 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. Het werd gegraven in Colditz, ongeveer 25 mijl ten zuidoosten van Leipzig in Saksen, en bevatte kaolien (wat Tschirnhaus uiteraard niet wist). Door albast of krijt aan de klei toe te voegen en het mengsel te verhitten, ontstond een harde, gele, enigszins doorschijnende keramiek die 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 de wanden. Tschirnhaus worstelde met de ontwikkeling van een betere oven toen hij werd benaderd door Augustus de Sterke, de heerser van Saksen.

Enkele jaren 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. De goudhongerige koning van Pruisen, die de Alltinktur wilde monopoliseren, beval Böttger onmiddellijk in 'beschermende bewaring' te worden genomen. Böttger ontsnapte naar Saksen, waarna hij werd gegrepen door de eveneens goudhongerige heerser Augustus de Sterke. Hij werd opgesloten op een zolder in een fort buiten Dresden en kreeg de opdracht om goud te produceren. Böttger zwoegde jarenlang en beloofde constant 'alchemistisch goud' te maken. Verrassend genoeg lukte dit niet. Augustus werd gefrustreerd en vroeg in 1704 aan Tschirnhaus om het werk aan de Alltinktur te superviseren. 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 mijnambtenaar (destijds het dichtstbijzijnde alternatief voor 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 van de nieuwe rode klei te verhitten in augustus en september, creëerde Tschirnhaus in zijn eentje een kopje dat er sterk uitzag 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 gevuld met documenten. De kist werd na de dood van Böttger in diens bezittingen gevonden, 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 Koninklijke Porseleinfabriek in Meissen op, 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 toevoeging was dan kalksteen. Meissen werd vervolgens het centrum van het Europese porselein. Augustus verdiende zoveel geld dat hij een 'Japans paleis' bouwde, dit vulde met Meissen-kopieën van Aziatische originelen en tegen bezoekers pronkte dat hij de Chinezen had verslagen – terecht, want Meissen-porselein was harder en minder poreus dan het origineel.

Dekton

Als Meissen 'Porselein 2.0' was, dan is het Dekton voor mijn kookplaat 'Porselein 3.0' of hoger. Dekton wordt gemaakt door een mengsel van gemalen porselein, glas en kwarts tot platen te bakken, 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. Het kostte zes jaar en bijna 200 miljoen dollar om Dekton uit te vinden. Traditionele keramiek bevat microscopische holtes en fouten die fungeren als 'spanningsconcentratoren'; ze focussen de energie van impact in plaats van deze te verspreiden, wat ervoor zorgt dat het materiaal barst. De hoge druk en hitte die worden gebruikt om Dekton te produceren, zorgen ervoor dat atomen in de deeltjes van kaolinite en kwarts diffunderen over de grenzen waar ze elkaar raken, waardoor het geheel verandert in wat in feite één massief blok is. Bijgevolg heeft Dekton de langdurige zwakte van porselein nagenoeg geëlimineerd: de brosheid en structurele fragiliteit.

Dekton is slechts een onderdeel van een voortdurende wedergeboorte van porselein, die op haar beurt deel uitmaakt van de grotere revolutie in de materiaalwetenschap. Het vakgebied werd opgericht in de jaren 40 en 50, toen fysici, chemici en ingenieurs moesten samenwerken tijdens de Tweede Wereldoorlog, de Koude Oorlog en de ruimtewedloop. Maar het kwam pas echt op stoom in de jaren 80 en 90, met de ontwikkeling van precisie-meet- en productietechnieken. 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 voorzien van een laag ruwe, grillige korrels – een beetje alsof er schuurpapier over het oppervlak werd gelegd, 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. Wanneer ze droog zijn, zien en voelen ze aan als gewone porseleinen tegels. Maar wanneer ze nat zijn en iemand erop stapt, drijft de druk het water in duizenden poriën op het oppervlak, waardoor een zuignap-effect ontstaat tussen de voet en de tegel, wat ze onmiddellijk minder glad maakt. (Hoeveel leed zullen nat-geactiveerde tegels voorkomen? Ruwe schattingen suggereren dat dit, in termen van voorkomen sterfgevallen, gelijk zou staan aan het genezen van kinderhersen- en kankerziekten.)

Nog een persoonlijk voorbeeld: mijn dochter, die op elfjarige leeftijd een zeldzame botinfectie kreeg, heeft nu een porseleinen heupgewricht. Porselein, omdat eerdere vervangende gewrichten 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 keramiebedrijven 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 die bloedvaten en botcellen in staat stellen om in de ruimtes van het biokeramiek te 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 porseleinen poriën te vullen voor een diepere kleur en betere vlekbestendigheid, het voorzien van porselein van zilverionlagen om de antimicrobiële werking te verbeteren, 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 de eierschaal-dunne Meissen-porseleinen serviezen van haar moeder op het dressoir exposeerde, versteld zou hebben gestaan als ze had ontdekt dat ik kook op een dunne plaat porselein, terwijl ik achteloos zware potten kokend water op het oppervlak laat vallen. Maar toen ik aan mijn zoon probeerde uit te leggen hoe opmerkelijk dit is, keek hij me glazig aan. Hij had nooit in een wereld geleefd die niet van porselein was gemaakt.