elektronica

Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?

Doorbraak: auto draadloos opgeladen via magneetveld met 97% efficiëntie

Elektrische auto’s zijn veel energiezuiniger dan normale auto’s. Ook kunnen ze met iedere in elektriciteit om te zetten energievorm bijgevuld worden, in plaats van met de milieuvervuilende en steeds schaarsere olie. Helaas is er één grote bottleneck die de massale doorbraak van elektrische auto’s stopt: de logge en dure autobatterijen, die de auto maar weinig bereik geven. Een nieuw concept met 97% efficiëntie belooft hieraan een einde te maken.

Draadloos opladen met 97% rendement
Enter Shanhui Fan en zijn collega’s van het Center for Automotive Research van Stanford University in Californië. Hun plan: bouw een magnetische lus in de weg die resoneert met een lus in de auto. De wisselende magnetische velden dragen energie over van het laadstation naar de auto, zonder dat ze elkaar hoeven te raken. Omdat de resonantie zo nauwkeurig op elkaar is afgestemd is er ook nauwelijks vermogensverlies: in theorie slechts drie procent. In 2007 zijn onderzoekers van het MIT er al in geslaagd energie met veertig procent efficiëntie  over te dragen over een afstand van twee meter[1]. Niet echt indrukwekkend, maar klaarblijkelijk is het concept nu sterk verbeterd.

Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?
Opladen terwijl je rijdt. De oplossing om elektrische auto's mogelijk te maken?

Opladen in zeven microseconden
Fan vroeg zich af of deze ontdekking van Marin Soljačić – die intertijd veel publiciteit kreeg – niet hét grote probleem van elektrische auto’s kon oplossen: het kleine bereik. Hij werkte het systeem zodanig uit dat het nu mogelijk is de auto op te laten laden met een grote dosis energie terwijl deze met volle snelheid over een snelweg rijdt. In zijn berekening draagt een verzameling resonerende spoelen en schijven tien kilowatt aan vermogen over in ongeveer zeven microseconden. Dit is snel genoeg voor de snelweg. Het systeem – waarvan nog een proefopstelling moet worden gebouwd – is in theorie veilig omdat het zo efficiënt werkt: slechts drie procent van het vermogen wordt uitgestraald als elektromagnetische straling.[2]

Opladen terwijl je rijdt
Dit systeem heeft enkele grote voordelen aldus Fan. Opladen kan veel sneller dan nu terwijl de bestuurder rijdt en accu’s van elektrische auto’s kunnen veel kleiner worden, wat de kosten sterk verlaagt. Het grootste deel van de kosten van elektrische auto’s bestaat uit de accu. Kortom: dit zou wel eens de doorbraak voor elektrische auto’s kunnen worden waar veel mensen op hopen. Zo kunnen we relatief snel van de benzineauto af en hiermee de behoefte aan aardolie met naar schatting meer dan de helft terugdringen. De sombere verhalen van onder meer Cassandra Club over olietekort behoren hiermee tot het verleden. De techniek is er nu. Nu is het een kwestie van uitontwikkelen en snel uitrollen. Met een doortastende aanpak hebben we zo binnen vijf jaar elektrisch vervoer en zal er door de massale investeringen zoveel werkgelegenheid ontstaan dat de economie sterk op zal bloeien.

Er is één maar. Tien kilowatt vermogen over zeven microseconden levert niet spectaculair veel energie, rond 70 millijoules. Een personenauto op volle snelheid verbruikt tien kilojoule – per seconde. Je zou dan het hele oppervlak van de snelweg met laadstations moeten voorzien. Laten we hopen dat Fan in zijn presentatie een fout heeft gemaakt en geen kilowatt maar wattuur per oplaadburst bedoelde.

Bronnen
1. Marin Soljačić et al., Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Science (2011) /gratis
2. Sanhui Fan, presentatie wireless power transfer

Doorbraak: wetenschappers ontwikkelen eerste printbare kwaliteitselektronica ooit

Je nieuwe elektronica gewoon downloaden en uitprinten is nu mogelijk geworden. Zonder dat er een gram metaal aan te pas komt, dankzij een doorbraak bereikt aan de vooraanstaande Engelse universiteit Cambridge.

Elektronica uit de printer
Het begon met drukken, ooit nog het domein van de weinige bedrijven met een offsetdrukpers. Nu voor de meesten mogelijk met een eigen inkjetprinter. Ook 3D printing wordt steeds populairder. Geen wonder. Een 3D printer kan een voorwerp laag voor laag afdrukken. Ideaal voor het maken van prototypes uiteraard. Niet voor niets maken industrieel ontwerpers hier veel gebruik van, maar je kan er ook andere dingen mee doen. Bonbons printen met chocolade, bijvoorbeeld. Ook elektronica kan je printen met speciale elektrisch geleidende inkt. Deze bevat geleidende polymeren, een soort plastic. Dat zonder een miljarden kostende fabriek.

Grafeen verstopte de printerkop
Er is alleen wel een probleem. Geprinte elektronica is veel slechter dan elektronica op basis van silicium, omdat het materiaal minder goed geleidt. Dat wil zeggen: tot nu toe, want Andrea Ferrari en zijn collega’s van Cambridge zijn er nu voor het eerst in geslaagd de geleidende polymeren te vervangen en/of te versterken met grafeen. Grafeen, een soort kippengaas van koolstofatomen waaruit grafiet bestaat, geleidt ongeveer even goed als metalen. Kortom: het ideale materiaal voor printbare elektronica. Helaas is het door hun vorm nogal moeilijk om vlokjes grafeen door een printkop te persen. Grafeen is een onregelmatig mengsel van kleine en grote vlokken. Grote vlokken verstoppen de printkop en, een groter probleem, verhinderen dat er kleine, regelmatige druppeltjes worden gevormd.

Eerste bruikbare grafeeninkt overtreft nu al bestaande elektronische inkten
Ferrari en zijn collega’s zijn er in geslaagd dit probleem op te lossen. Hierbij pellen ze met ultrageluid (in vaktaal: sonicatie) laagjes grafeen af van een blok grafiet en filteren ze, zodat de grootste stukken niet meer de printkop kunnen verstoppen. Vervolgens lossen ze de vlokken op in het oplosmiddel N-Methylpyrrolidone, of NMP, dat het beruchte koffieringeffect tegengaat. Bij het kofffieringeffect hoopt de inkt zich aan de rand op. Niet erg handig als je gevoelige elektronica print. Ook prettig is dat NMP niet erg giftig is. Als laatste stap werd de NMP met opgeloste grafeenvlokken in een printkop geplaatst. De onderzoekers printten een aantal circuits en dunne-film transistors.

Nu al blijkt de grafeen-inkt iets beter te scoren dan bestaande inkt. Let wel: dit is nog niet een uitontwikkeld product, dus reken maar dat dit nog veel beter gaat worden. Dit opent vooruitzichten naar volledig geprinte, flexibele en doorzichtige grafeen-gebaseerde apparaten op willekeurige ondergrond, aldus besluit Ferrari zijn artikel. Kan je straks in een printshop je grafeenkop laten bijvullen om dat heftige Bhutanese ontwerp voor een meditatielamp uit te printen? Dit kans zit er terdege in.

Bron
Andrea Ferrari et al, Ink-Jet Printed Graphene Electronics, ArXiv pre-print archive, 2011

Hackers zijn er al in geslaagd de eerste elektronische T-shirts te hacken.

Wanneer wordt je T-shirt gehackt?

Wordt het T-shirt dat fotomodellen dragen straks slimmer dan hen zelf? Zullen hackers straks je letterlijk in je hemd laten staan, als ze het plaatje op je T-shirt veranderen? Met deze nieuwe doorbraak is in ieder geval een nieuw terrein geopend.

Hackers zijn er al in geslaagd de eerste elektronische T-shirts te hacken.
Hackers zijn er al in geslaagd de eerste elektronische T-shirts te hacken.

Huidige generatie log en onprettig
De volgende generatie draagbare elektronica wordt waarschijnlijk een stuk comfortabeler, dankzij transistors gemaakt van katoenvezels. Deze transistors maken draagbare elektronica zo comfortabel als je favoriete spijkerbroek of t-shirt.
Er zijn al shirts op de markt die bijvoorbeeld de hartslag meten. of met een equalizer. Deze shirts bevatten echter elektriciteitsdraden en de elektronica zit opgeborgen in een boxje, aldus Annalisa Bonfiglio van de universiteit van Cagliari op Sardinië. Ook zijn elektronische materialen als silicium en metaal moeilijk in textiel in te weven. Er bestaan polymeervezels die stroom geleiden, maar erg comfortabel zitten die niet.

Katoenen transistor van bling bling
Katoen is daarentegen onovertroffen wat draaggemak betreft- de stof is koel en luchtig – maar geleidt niet erg goed stroom. Bonfiglio en haar collega’s hebben nu een manier ontdekt om katoen voldoende goed te laten geleiden om het materiaal te kunnen gebruiken in transistoren, die het hart van de meeste elektronica, denk bijvoorbeeld aan computers, vormen. Met een transistor kan je namelijk een andere elektrische stroom blokkeren of vrijgeven en voor ‘intelligente’ elektronica zijn transistoren dan ook absoluut een must.

Bonfiglio kreeeg dit voor elkaar door katoenvezels een laagje van goud-nanodeeltjes te geven, gecombineerd met een geleidende polymeer. Deze geleidt stroom tussen twee elektrodes (vlekjes geleidende zilververf aan elk eind van de katoenvezel. Door de spanning te veranderen kan deze constructie stroom geleiden of juist blokkeren. Een transistor dus.

Wanneer wordt je T-shirt gehackt?
De transistors, die er uitzien en aanvoelen als katoendraad, kunnen elektrisch met elkaar en met andere “katoentronica” worden verbonden door ze aan elkaar te knopen.
Verwacht geen rekenwonderen van katoenen elektronica, daarvoor is hun elektrische weerstand te hoog, maar simpele taken uitvoeren zoals tellen hoeveel mensen er in een ruimte zijn of de temperatuur meten is mogelijk. Wel zou je bijvoorbeeld in combinatie met ‘schakelbare kleuren’ het design of de kleur van een t-shirt on the spot kunnen laten veranderen. je zou zo boodschappen kunnen uitwisselen in een lawaaiige ruimte, zoals een discotheek, of, voor de social media aficionado’s, de laatste tweets projecteren. Wellicht kunnen er ook vezels ontwikkeld worden die energie opwekken uit bewegingen van de drager, zonne-energie, zweet of temperatuursverschillen.

Levensreddend
De nieuwe transistors beloven ook biosensors beter te maken. Een uitkomst voor soldaten in een gevechtsmissie. Hun kleding meldt zo direct de medische staf dat ze gewond zijn. Katoenen transistors kunnen ook signalen versterken, waardoor ze sensoren gevoeliger kunnen maken. Een zinniger toepassing is uiteraard hiermee hartpatiënten of andere mensen met een levensbedreigende aandoening makkelijker te kunnen bewaken.

Lees ook:
De toekomst van mode

Bron:
Annalisa Bonfiglio et al., Organic electronics on natural cotton fibres, Organic elektronics (2011)

Tristan Lawry met zijn apparaat.

Opladen zonder stroom en draadloze communicatie werkt zelfs door stalen wand

Hoe dring je met een signaal door een massief stalen omhulsel en kan je ook de sensor opladen? Een slimme student vond de oplossing. De mogelijkheden zijn legio: opladen zonder stroom bijvoorbeeld.

Tristan Lawry met zijn apparaat.
Tristan Lawry met zijn apparaat.
Opladen en communiceren door massief staal
Elektronica, bijvoorbeeld een sensor, heeft energie nodig en moet informatie kunnen uitwisselen met andere elektronica. Om energie op te wekken zijn er de laatste tijd allerlei handige technieken bedacht – denk aan zonnepanelen, het aftappen van beweging en dergelijke – en als er geen draadverbinding mogelijk is, kan een draadloze verbinding soelaas bieden.

Heel aardig, maar wat doe je als je een draadloze verbinding door massief staal heen wilt, zoals de scheepswand van een zwaar oorlogsschip? Staal werkt als een kooi van Faraday. Elektrische en magnetische signalen dringen hier nauwelijks tot niet doorheen. Ook het overdragen van energie van de ene kant naar de andere kant van een stalen want is onbegonnen werk – of je moet het hele schip onder stroom zetten.

Goedkope oplossing
Tot nu toe loste de Amerikaanse marine dit probleem op door gaten door de scheepswand te boren. Uiteraard wordt hierdoor de wand verzwakt. Ook moet het complete schip maandenlang in een droogdok liggen. Een dure grap van al gauw enkele miljoenen. Dit werd zelfs het weinig spaarzame Amerikaanse leger te gortig. Kortom: tijd voor een slimme uitvinder. En die kwam er.

Ultrageluid
Tristan Lawry, een doctoraalstudent aan Rensselaer Polytechnic Institute heeft de oplossing bedacht. Hij demonstreerde een systeem dat gebruik maakt van ultrageluid, geluid met een zo hoge toon dat wij het niet meer kunnen horen. Ultrageluid heeft twee grote voordelen. De geluidsgolven zijn zo kortgolvig dat ze heel nauwkeurig te richten zijn. Ook kan er (vergeleken met hoorbaar geluid) heel veel informatie doorgezonden worden (de datasnelheid is ruwweg de frequentie). Deze techniek werkt zelfs door de dikke wand van slagschepen en onderzeeërs.

Piëzo-elektrische kristallen
Zenden en ontvangen gaat door middel van piëzo-elektrische kristallen. Als je een piëzo-elektrisch kristal indrukt, ontstaat er een hoge spanningspiek. Op die manier werkt de piëzo-elektrische gasaansteker. Omgekeerd verandert een piëzo-elektrisch kristal van vorm als je er spanning opzet. Met andere woorden: je kan ze gebruiken om geluid in elektriciteit om te zetten en andersom.
Geluid bevat naast een signaal, ook energie. Met andere woorden: deze techniek is erg handig om zowel elektronica op te laden als informatie door te geven.

Lawry is er in geslaagd met de techniek maar liefst vijftig watt vermogen en 12,4 megabit per seconde, de snelheid van breedbandinternet in de praktijk, via ultrageluid over te dragen door een massief stalen wand  van meer dan zes centimeter dikte. Hij denkt dat met enkele wijzigingen het systeem zelfs een veelvoud van dit vermogen kan overdragen.

Tristan Lawry: Lemelson-MIT Rensselaer Student Prize Finalist

Dit systeem is erg interessant omdat het extreem veilig is. Je kan het in omgevingen toepassen waar elektriciteit of elektromagnetische velden absoluut uit den boze zijn. Wie weet werken onze stopcontacten of laadstations voor kleine apparaatjes straks wel met ultrageluid.

Bron:
Rensselaer/MIT

Ongelofelijk maar waar: deze lichtgevende elektronica bevat geen milligram metaal.

Metaalloze rubber elektronica zendt licht uit

Stel je voor: een radio of mobieltje dat je oplaadt door het over de grond te laten stuiteren. Rekbare elektronica, een nieuwe klasse elektronische materialen die kunnen buigen en strekken, kan in principe op heel veel verschillende manieren worden gebruikt. Denk aan draagbare elektronica, slimme kunsthuiden en biomedische apparatuur die kan meebewegen met het lichaam.

Elektronica die je terugvindt in gangbare elektronica bestaat uit printplaten, weerstandjes, condensatoren en dergelijke – alle breekbare onderdelen. Er is al veel flexibiliteit bereikt door extreem dunne laagjes anorganische materialen toe te passen. Helaas zijn deze óf buigzaam of rekbaar. Een discreet weggewerkt ledje zorgt dan voor de lichteffecten. Beide tegelijk kan niet. Deze elektronica mist “intrinsieke rekbaarheid”, waardoor elk deel van de elektronica rekbaar is.

Ongelofelijk maar waar: deze lichtgevende elektronica bevat geen milligram metaal.
Ongelofelijk maar waar: deze lichtgevende elektronica bevat geen milligram metaal.

Onderzoekers van UCLA zijn er nu voor het eerst in geslaagd om een rekbare zaklamp te ontwikkelen. Werkelijk elk deel van het stuk elektronica is rekbaar tot bijna 45%. Dit kregen de onderzoekers voor elkaar door gebruik te maken van -ja, alweer – koolstof nanobuisjes, die in het transparante materiaal werden ingebed. Het overal doordringende netwerk van nanobuisjes en de polymeer matrix in de oppervlaktelaag van het materiaal leiden samen tot lage weerstand, hoge doorzichtbaarheid, soepelheid en een glad oppervlak.

Ongetwijfeld zal dit leiden tot een golf van nieuw onderzoek. En komt het lichtgevende rubber in productie, dan zien we een aantal meer of minder nuttige toepassingen al voor ons. Dit materiaal is bijvoorbeeld ideaal om te voetballen, tennissen of badmintonnen in het donker. Je kan ook denken aan schoenen of kleding die in de nacht licht geven.
Rubberen elektronica in het algemeen is ook erg handig. Zo kan je elektronica heel makkelijk in kleding inweven. Stel je voor, een t-shirt dat je lievelingsmuziek speelt of dat je als illegale piratenzender of webserver kan gebruiken. En waarmee je je lievelingsliedjes, apps of videoclips kan delen.

Video: het lichtgevende polymeer in actie

Wat zijn jullie ideeën?

Bronnen
1. Zhibin Yu, Xiaofan Niu, Zhitian Liu en Qibing Pei, Intrinsically Stretchable Polymer Light-Emitting Devices Using Carbon Nanotube-Polymer Composite Electrode, Advnced Materials (2011)
2. UCLA engineers create polymer light-emitting devices that can be stretched like rubber, UCLA persbericht (2011)

 

Het lichtgevende textiel van Philips.

Lichtgevend behang kan tv-scherm zo groot als een kamer worden

In plaats van lampen, een complete muur die licht geeft? Tot voor kort was deze gedachte alleen al pure science fiction, maar Philips neemt in samenwerking met het bedrijf Kvadrat nu het eerste lichtgevende behang in productie. Nooit meer lampen die je in je gezicht schijnen.

Het lichtgevende textiel van Philips.
Het lichtgevende textiel van Philips.

OLEDs, een vorm van platte LEDs die dus licht geven over een heel oppervlak in plaats van één punt, bestaan al langer. Ze worden onder andere in de schermpjes van veel mobiele telefoons gebruikt. Ze zijn zuiniger dan LCD-schermen maar zeer lastig te maken, wat ze duur maakt. Philips ontwikkelde een vorm van lichtgevend textiel, wat gecombineerd wordt met de akoestische panelen van Kvadrat. De bedoeling is hiermee licht en geluid te combineren tot één multimedia-ervaring. Uiteraard is deze techniek ook te gebruiken voor kamerbreed display van een tv- of videobeeld.

Voorlopig wordt deze vinding geleverd voor openbare ruimten, maar op termijn zou dit wel eens heel goed op kunnen duiken in huiskamers. Als de tv uitstaat, overheerst het ding de woonkamer. Veel mensen zouden graag de televisie wegwensen als ze er nie naar keken. Wie weet is het binnenkort al zover en hebben we dan het grootste en platste tv-scherm denkbaar. Er zijn dan ook andere toepassingen denkbaar. Zo zou je je kamer snel kunnen veranderen in een oerwoud, een gezellig café of een buitenaards landschap. Een soort primitief holodeck dus.

Bron:
Physorg

Madhu Bhadkaran vertelt over de volgende energierevolutie.

De eeuwigdurende batterij

Waar er ook maar beweging is, is er de mogelijkheid om energie op te wekken. Onze toetsenborden zijn mogelijk de volgende mini-energiecentrale. Deze energieopwekking is mogelijk door het bestaan van piëzo-elektriciteit. Piëzo-actieve kristallen krijgen een sterk ladingsverschil als ze van vorm veranderen, bijvoorbeeld als er op wordt gedrukt. Dat komt omdat positieve en negatieve ionen in het kristal ten opzichte van elkaar gaan verschuiven, waardoor er netto een extreem hoge spanning ontstaat, soms tienduizenden volt. Dit ladingsverschil is af te tappen. Denk aan de piëzo-elektrische aansteker. Al is de hoeveelheid opgewekte energie maar klein, het is ruim voldoende voor de volgende generatie laptops, die met ultra-energiezuinige processoren belooft te werken. Ook de snorrende harde schijf zal worden vervangen door een energiezuiniger solid-state alternatief en het beeldscherm kan worden vervangen door elektrisch papier (e-paper) dat geen energie gebruikt om het beeld in stand te houden, dus ook zeer energiezuinig is.

Madhu Bhadkaran vertelt over de volgende energierevolutie.
Madhu Bhadkaran vertelt over de volgende energierevolutie.

Volgens een artikel door dr. Madhu Bhaskaran[1], verbonden aan de Royal Melbourne Institute of Technology, kan een piëzoelektrische film worden gebruikt in combinatie met een bewegend deel van een klein elektronisch voorwerp om de accu op te laden. Dit kan bijvoorbeeld door de mechanische druk – die normaal toe wordt gepast bij bijvoorbeeld het gebruiken van een toetsenbord – in elektriciteit om te zetten. Zo laadt een voorwerp zich op terwijl het wordt gebruikt. Dit concept zou wijlen Jurriaan Andriessen, de bedenker van Eldorica, zeer aanspreken. Hij geloofde in kleine handapparaten die de gebruiker moest opwinden. Dat alles in het kader van een duurzame economie waar mensen maar een handvol uren per week hoeven te werken. Een apparaat dat zijn energie krijgt doordat de gebruiker het benut, is uiteraard de overtreffende trap van dit idee.

Piëzoelektriciteit is nogal weerbarstig te manipuleren, laat staan in een dunne film te verwerken, maar Bhaskaran lijkt nu toch een techniek te hebben ontwikkeld waarmee het kan. Door middel van piëzo-elektrische kristalletjes op nanoschaal wordt voortdurend elektriciteit opgewekt die vervolgens wordt afgetapt. Het zal nog wel even duren voordat met deze techniek piëzo-elektrische energieoogstende films goedkoop genoeg  worden om voor weinig geld energie op te wekken voor, zeg, een camera, laptop, mobiele telefoon of zelfs een pacemaker.

De huidige generatie piëzo-elektrische films produceert ongeveer 250 W per vierkante millimeter bij 5 mN kracht – ongeveer een toetsindruk. Het opgewekte vermogen zal niet groot zijn – hooguit een paar watt – maar het kan een bruikbare aanvulling vormen op het verwerken van zonnepanelen in apparatuur. Bhaskaran schat dat haar piëzo-elektrische circuits ongeveer tien procent van de energiebehoefte van elektronische gadgets kan dekken. Als energiezuiniger elektronica er echt doorkomt – en waarom niet, bedenk dat een computer anno nu honderd miljoen maal meer energie verbruikt dan natuurkundig gezien nodig is – zal ook deze zwakke hoeveelheid energie ruim voldoende zijn om deze elektronica te laten draaien. Een laptop waarbij opladen nooit meer nodig is. Bhaskaran denkt dat binnen drie jaar de eerste piezo-powered gadgets op gaan duiken.Plus uitrolbare zonnepanelen die zich als een epidemie over de wereld uit gaan storten.

Eindelijk komaf met die irritante knoopcellen en hoge stroomrekeningen. Hiermee komt de digitale revolutie voor elke wereldbewoner er pas echt aan. Ik ben vast niet de enige die daar van droomt…

Research advances into ever-lasting battery

Bronnen
1. Bhaskaran, M., Sriram, S., Ruffell, S. and Mitchell, A. (2011), Energy Materials: Nanoscale Characterization of Energy Generation from Piezoelectric Thin Films (Adv. Funct. Mater. 12/2011). Advanced Functional Materials, 21: 2165. doi: 10.1002/adfm.201190041
2. RMIT

Eindelijk komaf met die irritante soldeerbout. Elektronica teken je voortaan gewoon.

Elektronica tekenen met een pen

Zou het niet handig zijn, schakelingen direct te kunnen tekenen in plaats dat geknoei met een soldeerbout en soldeertin, dachten een aantal onderzoekers. En dus vonden ze een übercoole opvolger voor de soldeerbout uit: een balpen met geleidende inkt. Worden lessen elektronica straks gegeven in het tekenlokaal?

Eindelijk komaf met die irritante soldeerbout. Elektronica teken je voortaan gewoon.
Eindelijk komaf met die irritante soldeerbout. Elektronica teken je voortaan gewoon.

Twee Jennifers, één (J. Lewis) professor materiaalkunde en industrieel ontwerp aan de universiteit van Illinois, de ander Jennifer Bernhard, professor in elektrische en computertechniek, publiceerden hun werk in het tijdschrift Advanced Materials.Ontwerpen kunnen nu heel snel getekend en uitgeprobeerd worden, aldus Lewis. “Dit is een belangrijk stap richting desktop fabricage met behulp van goedkope, overal aanwezige printers.”

De inkt van de balpen bestaat uit zilvercolloïde. Dat is een fijne oplossing van zilverdeeltjes.  na het schrijven droogt de inkt op, de zilverdeeltjes raken elkaar en vormen geleidende stroomdraden op papier. Of een ander poreus materiaal, zoals hout. Nog interessanter: de inkt blijft geleiden, ook als het papier gebogen wordt. Geen goed idee om dat te proberen met een printplaatje van je geluidsinstallatie. Metallische inktsoorten bestaan al langer (zo zijn er inktcassettes te koop met metallische inkt voor inkjetprinters), maar het voordeel van deze balpen is dat er geen printer of programmeren nodig is.

De onderzoekers hebben de pen al gebruikt om een elektrisch geleidende versie van een klassiek Koreaanse tekening te maken. De onderzoekers hebben ook een flexibele LED display op papier gedemonstreerd, elektrisch geleidende tekst en driedimensionale radioantennes. De onderzoekers willen nu nieuwe elektronische inkten ontwikkelen met andere elektrionische eigenschappen. Zo zou je weerstanden kunnen tekenen met minder goed geleidende inkt – elke centimeter lijn is bijvoorbeeld tien ohm er bij. Of kan je elektrische componenten zoals transistors als stickers op het papier plakken. Wie weet liggen er straks boeken in de winkel met stickervellen waarmee je je eigen radio kan tekenen en plakken. Of wie weet komt er (het zijn immers twee dames die dit uitvinden) geleidende lipstick voor elektriserende kussen…

Bronnen
Silver Pen Has the Write Stuff for Flexible Electronics, Science Daily
Analisa Russo, Bok Yeop Ahn, Jacob J. Adams, Eric B. Duoss, Jennifer T. Bernhard, Jennifer A. Lewis. Pen-on-Paper Flexible Electronics. Advanced Materials, 2011

Eetbare elektronica wordt langzamerhand steeds meer realiteit. Bron: Johannes Kepler Universität, Linz

Eetbare elektronica

Stel, je hebt honger en zet je tanden in je toetsenbord of radio. Krankzinnig idee? Nee, want de Oostenrijkse Johannes Kepler Universiteit heeft al een spectaculaire doorbraak bereikt. Ook de eetbare RFID-chip komt eraan. Big Brother is watching you from the inside…

Eetbare RFID-chips
RFID-chips zijn erg handig om alles en iedereen in de gaten te houden. Nu ontspringen zelfs eetwaren niet meer de dans. Althans, als het idee van Hannes Harms uitgevoerd wordt. Fotofabrikant Kodak, die de digitale revolutie niet zag aankomen tot het te laat was, heeft al plannen om een eetbare RFID-chip te ontwikkelen, blijkt uit een patentaanvraag uit 2006[1]. Stel dat dit idee werkelijk uitgevoerd wordt, dan kan bijvoorbeeld een arts controleren of een patiënt de pil werkelijk ingenomen heeft. Wordt waarschijnlijk erg populair in Noord-Koreaanse heropvoedingskampen.
In het productconcept van Hannes Harms, NutriSmart, kunnen in voedsel RFID-chips worden meegebakken met informatie over het aantal calorieën en dergelijke. Minder omstreden is het toevoegen van RFID-chips aan etenswaren om zo te controleren of hun uiterste houdbaarheidsdatum niet bereikt is[2].

Hoe zou eetbare elektronica kunnen werken?
Essentieel in het gehele concept is uiteraard de eetbare chip. Traditionele elektronica bestaat uit geleiders, weerstanden, transistoren, resonantiekringen en energiebronnen. Geleiders moeten geïsoleerd kunnen worden. Tot voor kort leek dit hopeloos, maar aan de Johannes Kepler Universiteit in het Oostenrijkse Linz wordt er onderzoek gedaan naar het ontwikkelen van elektronische componenten die geheel opgebouwd zijn uit organische materialen. Dr. Mihai Irimia-Vladu and collega’s van een internationaal team ontwikkelden een organische  FET (field-effect transistor) die zelfs uit eetbare materialen bestaat [3] [4]. Transistoren zijn het hart van geavanceerde elektronica. Alle schakelingen worden geprint op een bio-afbreekbare film.

Geleiders kunnen worden uitgevoerd als grafiet, zouten of eiwitten, omringd door een vetlaagje of wellicht door een ompolingseffect, ongeveer zoals onze zenuwcellen werken. Organische batterijen bestaan al: mitochondriën. Wellicht kan je die hacken. Je kan ook denken aan organische zonnecellen die gebruik maken van bladgroenkorrels uit plantencellen en hun elektriciteit rechtstreeks overdragen aan de rest van de elektronische schakeling.

Eetbare elektronica wordt langzamerhand steeds meer realiteit. Bron: Johannes Kepler Universität, Linz
Eetbare elektronica wordt langzamerhand steeds meer realiteit. Bron: Johannes Kepler Universität, Linz

Lichtgevende eiwitten bestaan ook al: de luciferines uit kwallen en dergelijke. Je zou met behulp van deze luciferines of andere licht-uitzendende moleculen een display in eetbare elektronica kunnen aanbrengen. Technisch gezien is het allemaal mogelijk, en meer. Er bestaat immers al miljarden jaren lang zeer geavanceerde eetbare elektronica op aarde…

Bronnen
1. System to monitor the ingestion of medicines , US Patent Office (2006)
2. The NutriSmart system would put RFIDs into your food for enhanced information, Physorg.com (2011)
3. Biocompatible and Biodegradable Materials for Organic Field-Effect Transistors, Advanced Functional Materials (2010)
4. “Bon Apetit“: JKU Scientists Develop Edible Electronics, Johannes Kepler Universität (2010)

Zo zien de superatomen er ongeveer uit. Een ijzeratoom (midden) in combinatie met de magnesiumatomen vormt een opmerkelijk stabiele minimagneet.

Superatomen gemaakt

Onderzoekers zijn er in geslaagd uit meerdere andere atomen een nieuw soort superatomen samen te stellen, die de chemische eigenschappen hebben van een veel groter atoom – met ongebruikelijke magnetische eigenschappen.

Wat is een superatoom?
Het superatoom bevat gemagnetiseerde magnesiumatomen – een element dat gewoonlijk geen magnetische eigenschappen heeft. De combinatie van het metaalachtige karakter van magnesium met de nieuwe magnetische eigenschappen belooft interessante toepassingen voor de volgende generatie van snellere processoren, grotere geheugenopslag en kwantumcomputers.

Het nieuw ontdekte cluster bestaat uit één ijzeratoom en acht magnesiumatomen. Het gedraagt zich als een kleine magneet dat zijn magnetische kracht ontleent aan de ijzer- en magnesiumatomen. De gecombineerde eenheid is even magnetisch als een ijzeratoom en zorgt ook voor specifieke spintoestanden van de elektronen in het cluster.

Zo zien de superatomen er ongeveer uit. Een ijzeratoom (midden) in combinatie met de magnesiumatomen vormt een opmerkelijk stabiele minimagneet.
Zo zien de superatomen er ongeveer uit. Een ijzeratoom (midden) in combinatie met de magnesiumatomen vormt een opmerkelijk stabiele minimagneet.

Cluster krijgt extra stabiliteit
Het team ontdekte dat het cluster bij acht magnesiumatomen extra stabiliteit kreeg. De reden: gevulde elektronenschillen waren ver verwijderd van de niet-gevulde schillen. Een atoom is in een stabiele configuratie als de buitenste elektronenschil gevuld is en ver verwijderd van niet-gevulde elektronenschillen. Edelgassen zoals helium hebben volledig gevulde elektronenschillen. Volgens een van de onderzoekers, Shiv Khanna, gebeurt dit gewoonlijk alleen met gepaarde elektronen (die niet magnetisch zijn), maar in dit onderzoek bleek de magnetische schil toch stabiel.

Volgens Khanna had het nieuwe cluster een magnetisch moment van vier Bohr magnetons, twee keer zo groot als dat van ijzer in een massief ijzeren magneet. Een magnetisch moment is een maat voor de magnetische sterkte van het cluster. Van de meer dan honderd elementen in het periodiek systeem, zijn er maar negen elementen die in vaste vorm magnetisch gedrag vertonen.

Moleculaire elektronica en kwantumcomputers dichterbij
Reveles, een andere onderzoeker die bij het experiment betrokken was, denkt dat een combinatie zoals nu is gecreëerd, kan helpen “moleculaire elektronica” door te laten breken. Dit soort moleculaire structuren kunnen namelijk elektronen met een bepaalde spin selectief doorlaten – essentieel voor bijvoorbeeld kwantumcomputers. Van deze moleculaire onderdelen wordt ook verwacht dat ze elektronica compacter maken, meer data kunnen verwerken, naast andere voordelen, aldus Reveles.

Khanna en zijn team doen voorstudies voor het produceren van de nieuwe superatomen en hebben al enkele veelbelovende waarnemingen gedaan die in spintronica kunnen worden toegepast. Spintronica is een vorm van elektronica waarin gebruik wordt gemaakt van de spin (de ‘richting’ waarin een elektron tolt). Spintronica belooft zeer energiezuinige, snelle en compacte elektronica.

Bron
Science Daily