materiaalkunde Archieven

Programmeerbare materie

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 9 november 2021 9 november 2021

Je kan computers al letters en beelden laten zien aan de hand van opdrachten. Maar waarom zou je niet iets van vorm kunnen laten veranderen met een programma? Programmeerbare materie belooft juist dit te bieden.

Wat is programmeerbare materie?
In principe kan je materie op verschillende manieren configurabel maken, afhankelijk van de schaal. Je kan op atoomniveau, moleculair niveau (metamaterialen) en door middel van nanorobotjes voorwerpen van vorm en eigenschappen laten veranderen.

Atoomniveau
Atomen bestaan uit een positief geladen atoomkern met nucleonen en precies genoeg negatief geladen elektronen om de totale elektrische lading nul te maken.

quantum corral — Een Stonehenge van atomen vormt een concentrisch patroon van elektron-waarschijnlijkheidsgolven. The Well (Quantum Corral) (2009) by Julian Voss-Andreae, CC-BY-SA 3.0

De chemische eigenschappen van atomen worden bepaald door het aantal elektronen. Ben je in staat het aantal elektronen van een atoom te veranderen (door de positieve kern meer of juist minder lading te geven), dan verander je hiermee dus de chemische eigenschappen: stikstof wordt zuurstof en dergelijke.

Op commando het aantal (positief geladen) protonen in de kern aanpassen van een individueel atoom is nog niet mogelijk (atoombommen lenen zich niet echt voor consumententoepassingen), maar wel kunnen enorme kunstmatige atomen worden geconstrueerd: holtes, enkele tientallen tot honderden atomen groot met hierbinnen elektronen: quantum dots. Quantum dots worden nu al gebruikt voor nanolasers en bepaalde optische effecten: het aantal elektronen in een quantum dot en de energie waarmee ze zijn gebonden bepaalt namelijk de kleur. Sommige onderzoekers zijn er in geslaagd zwakke bindingen tussen quantum dots tot stand te brengen.

Mocht het ooit lukken om kleinere programmeerbare atomen te bouwen en lukt het om hiermee chemische bindingen met ‘echte’ atomen en moleculen tot stand te brengen, dan beschik je uiteraard over een zeer interessante programmeerbare katalysator. Je kan dan letterlijk moleculen stap voor stap bouwen, in plaats van zoals nu gebeurt, astronomische hoeveelheden uitgangsmoleculen bij elkaar te gooien, met elkaar te laten reageren en dan met veel kunst en vliegwerk het gewenste eindproduct uit de massa zeven.

Nu peperdure medicijnen zoals menselijke hormonen zouden dan ook voor armere mensen betaalbaar worden (al blijven uiteraard de onderzoekskosten, bijwerkingen en werkzaamheid van niet-menselijke stoffen hoog).

Moleculair niveau en metamaterialen

De eigenschappen van materialen zijn te veranderen, niet alleen door de verhouding waarin atomen onderling voorkomen te veranderen en de moleculaire bindingen van atomen te veranderen, maar ook door de ruimtelijke ordening van atomen en moleculen in het materiaal te manipuleren. De natuur was ons hier al voor: de lotus heeft bijvoorbeeld een waterafstotende oppervlakte. Niet door vetten, maar door nanostructuurtjes die lijken op stekels: het lotuseffect. Dit effect dat milieuvervuilende oppervlaktecoatings vervangt wordt op dit moment al uitgebuit door sommige fabrikanten.

Sommige vlinders, zoals morpho’s, en andere insekten hebben vleugels met een metaalachtige (of parelmoerachtige) glans. Niet door metaaldeeltjes in de vleugels, maar door het iriserende effect van laagjes die licht reflecteren en, afhankelijk van de golflengte, uitdoven of juist versterken. Ook hier dus geen afwijkende atomen, maar een andere rangschikking van atomen. Deze effecten zijn ook te manipuleren. Zo zijn er geheugenmaterialen die onder invloed van warmte of stroom van vorm veranderen. Microsoft doet hier onderzoek naar voor de volgende generatie beeldschermen die in tafels ingebouwd zullen worden. Sommige dieren, zoals kameleons en octopussen kunnen van kleur veranderen door chromatoforen, cellen met kleurstof, te manipuleren. Dit principe is uiteraard ook toe te passen in programmeerbare metamaterialen, hoewel de mogelijkheden een kleur te genereren door de nanostructuur van een oppervlak te manipuleren veel interessanter is.

Claytronics
Met nanorobotjes kan ook programmeerbare materie worden verwezenlijkt. Deze robotjes, in het claytronics-jargon catoms genaamd, hechten zich als een soort trapezewerkers aan elkaar en kunnen elke denkbare vorm innemen, zoals klei, vandaar de naam van dit concept: claytronics. Het bekendste equivalent uit de natuur zijn trekmieren, die levende tunnels en drijvende bollen kunnen vormen om de rest van de kolonie mee te vervoeren. Je kan ook slijmzwammen, zelfstandig levende eencelligen die zodra de leefomstandigheden ongunstig worden zich aaneensluiten tot een enkel organisme, zo zien. Claytronics op macroschaal is al mogelijk: in 2005 is samenwerking bereikt tussen programmeerbare robotjes van 44 millimeter groot die door middel van elektrische en magnetische invloeden aan elkaar blijven kleven. Onderzoekers van de Amerikaanse Carnegie-Mellon universiteit werken nu aan catoms van een millimeter groot die in enorme aantallen kunnen worden gefabriceerd.

2D wordt 3D met pen

Laat een reactie achter / Ideeën, Ideeën en techniek, Scheikunde, Techniek / Door Germen Roding / 26 maart 2021 25 maart 2021

Een pen als 3D-printer. Kijk hoe een 2D-tekening van een bloem op een steen, na de onderdompeling in een oplossing van kalium-persulfaat verandert in een driedimensionale bloem.

3D-pennen bestaan al langer. Ze vormen een soort hand-3D printer, gevoed met een rol 3D-filament dat gebruikt kan worden om vormen in de lucht mee te tekenen.

Deze techniek werkt anders en wel met twee soorten materiaal. De ene soort, de ‘lijm’ (hier: de zwarte inkt), hecht zich zowel aan de ondergrond als aan de tweede soort. De tweede soort, hier rood, bevat een waterafstotend middel en maakt zich daarom los, als de oplossing zich onder de inkt wurmt.

In de oorspronkelijke vorm was de inkt te slap en verloor het voorwerp zijn vorm. De uitvinders verhielpen dit, door ijzer toe te voegen aan de waterafstotende inkt. Deze reageert met de persulfaationen in de oplossing en vormt een hard laagje aan de buitenkant. Dankzij dit laagje behoudt de bloem zijn vorm.

Snippet: Watch a simple pen turn flat drawings into 3D objects

Bekijk deze video op YouTube

Collega’s elders in de wereld van de Zuid-Koreaanse uitvinders Sumin Lee en Seo Woo Song noemen de ontdekking een doorbraak. Het wordt nu mogelijk om 3D-voorwerpen per briefpost te versturen. De ontvanger kan deze in een ontwikkel-oplossing leggen en het 3D-voorwerp laten drogen. Ook voor de fabricage van elektronica zien ze veel toepassingen. Als het tenminste lukt om elektronische schakelingen mee te printen.

En voor creatieve kunstenaars natuurlijk.

Dit is nog maar een eenvoudig voorbeeld. In de bron staan veel complexere ontwerpen. Zoals vlinders die met hun vleugels kunnen klappen onder invloed van een magnetisch veld.

Bron

Sumin Lee en Seo Woo Song, Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings, Science Advances, 2021

Vensterglas verbrijzelt kogel

6 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 maart 2017 27 maart 2017

Glas staat bekend als een zeer breekbaar materiaal. Als vloeibaar glas stolt in de vorm van een druppel met een lange staart, de zogenoemde Prins Rupert-druppel, in Engeland ook wel bekend als ‘Dutch tear’, krijgt het echter bijzondere eigenschappen.

Het is bijvoorbeeld mogelijk, om een harde hamerslag tegen de kop van de druppel te geven, zonder dat deze versplintert. De druppel heeft echter een achilleshiel: het puntje van de staart. Breekt dit af, dan vernietigt de druppel zichzelf. Al meer dan vier eeuwen fascineert dit bizarre voorwerp wetenschappers.

Prins Rupert druppels worden gewoonlijk gemaakt door een beetje vloeibaar glas in water te laten druipen. Het glas stolt van buiten naar binnen. Door te stollen krimpt glas. De oppervlakte wordt naar binnen gezogen door het krimpende glas en hiermee op elkaar geperst. Daardoor ontstaat er binnen de druppel een onderdruk, terwijl aan de oppervlakte juist een overdruk ontstaat.

Hierdoor komen er in de kop van de druppel extreme spanningen te staan, die samen een sterke weerstand bieden tegen uitwendige druk. Wil je zelf Prins Rupert druppels maken, dan is een acetyleenbrander handig – het smeltpunt van glas ligt iets onder de duizend graden. In onderstaande video is er een druk van 20.000 kg, het gewicht van een truck, nodig om dit nietige glasdruppeltje te verpletteren.

Prince Rupert's Drop vs Hydraulic Press [ 4K - Slow Motion ] ( S1 E9 )

In onderstaand filmpje wordt een kogel op de kop van een druppel afgevuurd, gefilmd door een extreem snelle filmcamera (150 000 opnames per seconde). Geloof het of niet, maar de kogel wordt in vele stukken geblazen door de botsing. Het glas blijft nog een fractie va een seconde intact, tot de schokgolf de staart bereikt…

Bullet vs Prince Rupert's Drop at 150,000 fps - Smarter Every Day 165

Dit laat zien dat er in alledaagse materialen vaak opmerkelijke geheimen verscholen liggen. Er zijn waarschijnlijk nog wel de nodige verrassingen te ontdekken.

Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}

Diamant nanodraad interessanter dan koolstofnanovezels?

3 reacties / Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 december 2015 23 december 2015

Het lijkt erop dat er een eendimensionale tegenhanger van grafeen is ontdekt. Diamantnanodraad heeft een aantal zeer interessante, zeg maar gerust bizarre eigenschappen.

Wat is diamant nanodraad?
Diamantnanodraad, in de herfst van 2015 ontdekt door een groepje van Pennsylvania State University, ziet op op atoomschaal uit als doorgeknipt kippengaas. Elke rij bestaat uit een zeshoeken koolstofatomen. De losse eindjes aan de rand worden bezet door waterstofatomen.

Sindsdien heeft de nanodiamantdraad-koorts veel materiaalkundigen in de greep. Wat voor merkwaardige eigenachappen zou dit opmerkelijke goedje hebben? Het is plat, dus veel buigzamer dan koolstofnanovezels. Dat maakt het als materiaal voor nanodraden veel interessanter dan dit extreem sterke materiaal. Veel onderzoekers vreesden echter dat de nieuwste ontdekking zo bros zou zijn dat de draad net als glas in fragmenten uit elkaar zou spatten als er mechanische spanning op zou komen te staan.

Een nieuwe groep, geleid door Haifei Zhan van Queensland University of Technology in Australie, heeft deze bezwaren nu weggenomen. Sterker nog: het materiaal blijkt veel veelzijdiger dan iedereen dacht. Gaat diamant nanodraad een zelfde toekomst als wondermateriaal tegemoet als grafeen?

Hoe maak je diamant nanodraad?
Het Penn State University team gebruikte benzeen, een zeshoek van koolstofatomen met zes waterstofatomen er omheen, als basis[1]. Ze plaatsten de benzeenmoleculen in een rij, verhoogden de druk zodat de moleculen aan elkaar gingen klikken (polymeriseerden) en daar was de diamant nanodraad.

Tot zover de theorie. In de praktijk is het erg belangrijk hoe precies de benzeenmoleculen aan elkaar gingen zitten. Er zijn verschillende configuraties mogelijk. Naar blijkt, verschillen de eigenschappen van nanodiamantdraden enorm per configuratie.

Zhan en zijn team keken naar de meest voor de hand liggende configuraties. De simpelste is polybenzeen. Hierbij zitten de zeshoeken van benzeen aan elkaar zoals linksonder op het plaatje. Dit is een stijf molecuul, dat steeds breekbaarder wordt naarmate het langer wordt. Kortom: echt grote dingen kan je hiervan niet bouwen. Daarvoor is dit molecuul te breekbaar. Als er zogeheten Stone-Wales defecten tussen zitten, verandert dit sterk. Deze defecten werken als scharnierpunten tussen de rechte stukken polybenzeen. Hoe meer Stone-Wales defecten, hoe buigzamer (maar, uiteraard: hoe zwakker de keten). Zodra het aantal Stone-Wales defecten een bepaald percentage overschrijdt, gebeurt er iets opmerkelijks. De keten verandert van breekbaar in zeer buigzaam, het verschil tussen rauwe en gekookte spaghetti.

Dat maakt het mogelijk om sommige delen van de draad buigzaam, en andere juist star te maken. Nanodiamantdraden hebben een hoge Young-modulus (treksterkte), vergelijkbaar met die van aluminium. De allersterkste zijn Ook zijn ze erg licht. Dit opent heel veel toepassingen, vooral bij het bouwen van extreem sterke drie-dimensionale nanostructuren, aldus de groep-Zhan. Het molecuul kan zowel de functie van een kabel als van draagstructuur vervullen, afhankelijk van het aantal defecten.

Tot zover de theorie, nu de praktijk
Dit werk was slechts een computersimulatie. Hoewel onze kennis van de moleculaire wereld bijna perfect is, de onderliggende kwantumelektrodynamica is tot op dertien decimalen nauwkeurig te berekenen, kan de praktische toepassingen nog verrassingen opleveren. Experimentele materiaalkundigen moeten dus nu aan de bak en gaan meten aan het molecuul. Gezien de zeer veelbelovende eigenschappen van dit materiaal, en de enorme onderzoeksbudgetten die aan grafeen een dergelijke worden verspijkerd- zal het niet lang meer duren voor de eerste diamantnanodraden opduiken in gadgets van de toekomst.

Bronnen
1. T.C. Fitzgibbons, Benzene-derived â€‹carbon nanothreads, Nature Communications, 2014
2. Zhan et al., From Brittle to Ductile: A Structure Dependent Ductility of Diamond Nanothread, ArXiv preprint server (2015)

De nieuwe glassoort bestaat uit aluminium- en tantaaloxide.

Glas ongeveer zo sterk als staal ontwikkeld

2 reacties / Ideeën, Techniek / Door Germen Roding / 6 november 2015 6 november 2015

Doorzichtige materialen zijn of erg krasgevoelig, of erg breekbaar. Dit tot frustratie van veel smartphonebezitters. Nu is er eindelijk een materiaal ontwikkeld, dat bijna even sterk is als staal, maar volkomen doorzichtig. Opmerkelijk genoeg: voorspeld in Star Trek…

Glassoorten met een hoge elasticiteitsmodulus (in het dagelijks leven beter bekend als: breukvastheid) zijn al jaren erg gewild, omdat ze dezelfde sterkte leveren bij een kleinere dikte. De industrie smeekt om dunner en lichter glas, om deze toe te kunnen passen in ramen, smartphones en substraten voor beeldschermen.

Glas is een doorzichtig, kristalloos mengsel van metaalionen en negatieve ionen (bijvoorbeeld silicaat en oxides). Bij de glasfabricage is het erg belangrijk om te voorkomen dat zich kristallen vormen. Deze maken het glas ondoorzichtig. Kristallen vormen zich als er een condensatiekern aanwezig is. Is er eenmaal een begin van een kristal, dan groeit dit razendsnel.

Helaas blijkt bij glassoorten met sterk geladen ionen, zoals aluminium (3+) en tantaal (5+), dat er erg weinig nodig is om de kristalvorming op gang te brengen. In feite blijkt elk type container dit glas te laten kristalliseren. Jammer, want door die sterk geladen ionen wordt de ionbinding, en dus het glas nu juist erg sterk. Ten einde raad greep een groep Japanse onderzoekers naar een radicale methode. In hun nieuwe productieproces zweeft het glas, met 54% aluminiumoxide en 46% tantaaloxide, in de lucht met aerodynamische levitatie (luchtstroom) en worden lasers als roerlepels gebruikt. Het resulterende glas bleek erg mooi: kleurloos en transparant voor licht en heeft ook erg goede optische eigenschappen. Tantaal is een zwaar atoom, waardoor het glas erg zwaar is en een hoge brekingsindex heeft (1,94). Ook de combinatie van hardheidseigenschappen is erg mooi: de elasticiteitsmodulus (een maat voor de treksterkte) is bijna even groot als die van staal en de Vickers hardheid (maat voor onder meer de krasgevoeligheid) ongeveer een derde.

Aluminium is overvloedig aanwezig, maar tantaal is erg schaars. In het universum zelfs schaarser dan goud. De winning van het tantaal-houdende erts coltan (tantaliet) in de Democratische Republiek Congo (het vroegere Zaire) en andere Afrikaanse landen, de voornaamste bronnen, is erg omstreden, omdat dit vaak onder erbarmelijke omstandigheden door dwangarbeiders gebeurt. Door deze ontdekking zal deze ellende vermoedelijk flink toenemen.

Bron
Gustavo A. Rosales-Sosa et al. High Elastic Moduli of a 54Al2O3-46Ta2O5 Glass Fabricated via Containerless Processing, Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep15233

Soft gel magneten: de onverwachte combinatie van rubberachtig magnetisch materiaal, opent nieuwe toepassingsmogelijkheden die hiervoor niet mogelijk waren. Bron: Inventables.com

TED talk: materialen van de toekomst

Laat een reactie achter / Ideeën, Ideeën en techniek / Door Germen Roding / 9 maart 2015 9 maart 2015

Kneedbare magneten, een vloeistof die extreem snel verdampt en een buis die in je zak past, maar snel uit kan rollen tot 3,5 meter. Slechts een greep uit de bizarre materialen en hun unieke toepassingen die aan de orde komen in deze TED talk door de oprichters van Inventables.

Keith Schacht & Zach Kaplan: Products (and toys) from the fu

Wil je kennis maken met nieuwe ideeën en onverwachte materialen? Dan is het kwartiertje dat deze TED presentatie in beslag neemt, geen verloren tijd.

Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.

Onderzoekers magnetiseren grafeen permanent

Laat een reactie achter / Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 30 januari 2015 30 januari 2015

Voor het eerst is het gelukt om stukjes grafeen een permanente magnetische lading te geven, zonder dat het atoomdikke kippengaas van koolstofatomen moet worden vervuild met andere atomen. Wat zijn de mogelijkheden?

Duur wondermateriaal
Sinds de ontdekking van grafeen heeft het materiaal al de nodige records gebroken. Zo is het het sterkste materiaal ter wereld en heeft het ook het hoogste specifieke oppervlak. Slechts één ding weerhoudt de industrie van de massale toepassing van grafeen: de lastige en zeer kostbare productiemethode, al zijn ook op dit terrein nu doorbraken bereikt die de kosten met factor 1000 kunnen verminderen. Wat grafeen, zelfs na deze prijsdaling met â‚¬1 miljoen per vierkante meter nog steeds erg duur maakt. Maar gezien het grote aantal slimme mensen dat zich nu vastbijt op een goedkope productiemethode, zal dat niet al te lang meer duren. Slagen we erin deze kosten te laten dalen tot, zeg, â‚¬1 per vierkante meter, dan is het aantal toepassingen werkelijk krankzinnig groot.

Magnetisch grafeen
Aan deze toepassingen kan er nu eentje worden toegevoegd: het opslaan en verwerken van informatie. Jing Shi en zijn mede-onderzoekers van de University of California, Riverside, hebben grafeen met magnetische eigenschappen gecreëerd. Hiervoor plaatsten ze een stukje grafeen op het magnetische mineraal yttrium-ijzer granaat (YIG in de afbeelding). Er zijn andere materialen die de magnetische eigenschappen van grafeen kunnen veranderen, maar yttrium-ijzer granaat geleidt geen stroom. Daardoor worden de aantrekkelijke elektrische eigenschappen van grafeen niet veranderd. Als het grafeen weer wordt losgepeuterd, blijkt het nog steeds magnetisch te zijn. Omdat het grafeen chemisch gezien ongewijzigd is, moet het grafeen zelf magnetisch zijn geworden.

Spintronics
Onderzoekers zien een belangrijke toepassing in spintronics: elektronica, waarin signalen niet door worden gegeven door bewegende elektronen, maar ompolende magneetveldjes. Isospin is een kwantumeigenschap, die ruwweg overeenkomt met draairichting. Deeltjes en quasideeltjes met isospin kunnen twee, tegengestelde, richtingen op tollen, met slechts één snelheid. We praten dan dus over elektronica op atoomschaal, een factor 100 kleiner dan chips in 2015 , of factor 10.000 meer eenheden per vierkante mm. Grafeen zou ook gebruikt kunnen worden als magnetisch opslagmedium van informatie. Spintronics is ook veel zuiniger dan klassieke elektronica omdat elektronen niet stromen en er dus nauwelijks afvalwarmte wordt geproduceerd. Je smartphone of laptop kan dan opgeladen worden door bewegingen die je maakt.

Bronnen
Researchers Make Magnetic Graphene – UC Riverside research could lead to new multi-functional electronic devices, UCR Today, 2015
Jing Shi et al., Proximity-Induced Ferromagnetism in Graphene Revealed by the Anomalous Hall Effect, Physics Review Letters, 2015

Het tussenliggende laagje is Ã©Ã©n atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al.

‘Half-materie, half-licht deeltje ontdekt’

9 reacties / natuurkunde, Techniek / Door Germen Roding / 30 december 2014 30 december 2014

Een team onderzoekers van City College of New York ontdekten quasideeltjes met zowel licht- als materie-eigenschappen in een enkele atomen dikke halfgeleiderlaag.

De halfgeleider bestaat uit een platte laag van molybdeen en zwavelatomen, die een soortgelijk zeshoekig rooster vormen,zoals grafeen. Zie afbeelding. Ze omgaven de halfgeleider door twee lagen die licht invangen, wat de quasideeltjes opleverde. “Dit is niet alleen een doorbraak op het gebied van fundamenteel onderzoek, ook schept dit de mogelijkheid om apparaten te ontwikkelen die zowel van licht- als materie-eigenschappen gebruik kunnen maken,” aldus de weinig bescheiden onderzoeksleider dr. Vinod Menon.

Een voorbeeld kan zijn: logische poorten of signaalverwerkers die gebruik maken van de voor een bepaalde toepassing meest gunstige eigenschappen van licht en materie. Voor bijvoorbeeld praktische kwantumcomputers, die bij bepaalde bewerkingen veel sneller kunnen rekenen dan bestaande computers, kan de nieuwe ontdekking positieve gevolgen hebben.

Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al. — Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Menon et al.

Dr. Dirk Englund, een hoogleraar aan MIT, houdt zich zelf bezig met kwantumtechnologie, gebaseerd op halfgeleiders en optische systemen. Een nauwverwant onderwerp dus.
“Wat het werk van Vinod en zijn team zo opmerkelijk maakt, is hoe makkelijk deze sterke koppeling [tussen licht en massa, red.] kon worden bereikt. Ze hebben overtuigend laten zien, dat door een standaard diëlektrische holte met exciton-polaritons te koppelen in een enkel laagje van molybdeen disulfide, ze de sterke koppeling met een erg grote bindingssterkte hebben kunnen bereiken.”, aldus hem [1].
Korte technische uitleg: als een lichtdeeltje, een foton, door een lichtdoorlatend materiaal, zoals glas of water, reist, vormt het een quasideeltje. Het lichtdeeltje is als het ware veranderd in een trilling (fonon), samengaan van een paar elektrische of magnetische polen met een ander foton (polariton) of een van zijn plaats losgeslagen elektron (exciton). Een diëlektrische holte is een ruimte tussen een positief en negatief geladen oppervlak.
Naar quasideeltjes wordt erg veel onderzoek naar gedaan, want hiermee zijn uitermate interessante fratsen uit te halen. Denk aan nanosensoren, geluidslasers en dergelijke.

De studie werd onder meer gesponsord door het U.S. Army Research Laboratoryâ€™s Army Research Office en de Amerikaanse National Science Foundation. De kans zit er dus in, dat deze techniek binnenkort te vinden is in een drone, kruisraket of ander instrument ter bevordering van vrede en liefde in de wereld.

Bronnen
[1] STUDY UNVEILS NEW HALF-LIGHT HALF-MATTER QUANTUM PARTICLES, City University of New York (2014)
[2] Vinod M. Menon et al., Strong lightâ€“matter coupling in two-dimensional atomic crystals, Nature Photonics, 2014

Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK

“Onmogelijke” supergeleider ontdekt

2 reacties / Techniek / Door Germen Roding / 10 december 2014 9 december 2014

Enkele dagen geleden beschreven we supergeleiding op kamertemperatuur. Nu is er weer een doorbraak gerapporteerd. Zwavelhydride blijkt onder hoge druk supergeleiding te vertonen bij 180 kelvin, dus 93 graden onder nul. Het gaat hier om ‘klassieke’ supergeleiding, wat volgens het boekje alleen vlak boven het absolute nulpunt kan optreden.

Supergeleiding is een bizar verschijnsel waarbij alle elektrische weerstand verdwijnt. Je kan in principe van een supergeleidende spoel, een permanente magneet kunnen maken door er even een keer met een magneet langs te rissen. Dit soort experimentjes ligt ver buiten bereik van de gemiddelde hobbyist, want supergeleiding treedt alleen op bij extreem lage temperaturen. Klassieke (buik-) supergeleiding, waarbij het hele materiaal supergeleidend is, zelfs alleen tot maximaal 35 kelvin (-248 graden C).

Nu is een team onderzoekers er in geslaagd om supergeleiding op te wekken in zwavel(II)hydride, een zout waarbij waterstof zich niet als zuur gedraagt (H⁺) maar juist als een negatief ion (H^–). Hiervoor brachten ze een enorme druk aan: 150 gigapascal, rond de 18.000 atmosfeer. Deze druk is alleen op te wekken met een diamantpers. Bij rond de 190 kelvin, (-87 graden Celsius) daalde de weerstand plotseling sterk.

Bulk-supergeleiding
Bulk-supergeleiding is erg populair onder technici. Bulk-supergeleiders kunnen enorme stroomsterktes verwerken, zonder dat het materiaal gaat haperen. De reden dat bijvoorbeeld de supergeleidende elektromagneten bij het CERN uit een bulk-supergeleidende niobium legering bestaan, die extreem gekoeld moet worden. Een zeer sterk magnetisch veld van zeven tesla kon de supergeleiding niet stoppen. Volgens de onderzoekers zou hiervoor een tien keer zo sterk veld nodig zijn, wat er sterk op wijst dat ook dit een bulk supergeleider is, maar dan een die maar liefst 150 graden minder gekoeld hoeft te worden. De meer delicate hoge-temperatuur supergeleiders, waar supergeleiding alleen in dunne atoomdikke laagjes optreedt, kunnen al door een wak magnetisch veld uitgeschakeld worden.

Hoe nu verder?
Ten eerst zal deze ontdekking grondig moeten worden geverifieerd. Zo zal moeten worden getest of het Meissner effect optreedt; geen eenvoudige zaak als het monster in een diamantpers geklemd is. Zolang dat niet het geval is, is nog nioet zeker of hier daadwerkelijk sprake is van bonafide supergeleiding.
Uiteraard is een supergeleider waarvoor je een diamantpers nodig hebt, niet erg praktisch. Wel zet deze onverwachte ontdekking de supergeleidingsonderzoekers op het spoor van een beter begrip van supergeleiding. Klaarblijkelijk is er een onbekend effect, waardoor bulksupergeleiding ook bij hogere temperaturen op kan treden. Dit effect boven water krijgen zou de weg kunnen openen naar echte kamertemperatuur supergeleiders die ook onder normale druk kunnen functioneren.

MIkhail Eremets et al., Conventional superconductivity at 190 K at high pressures, ArXiv preprint server, 2014

Doordat de laagjes koperoxide, de lichtblauwe laag, gingen trillen, werden ze dikker (en de isolerende laag ertussen dunner). Bron: MPG

Mijlpaal: supergeleiding bij kamertemperatuur bereikt

2 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 7 december 2014 7 december 2014

Voor het eerst in de geschiedenis is het onderzoekers gelukt om supergeleiding te bereiken bij kamertemperatuur, zij het voor slechts een minieme fractie van een seconde. Wanneer komt er praktische supergeleiding?

Wat is supergeleiding?
Supergeleiding werd rond de honderd jaar geleden ontdekt door de Leidse hoogleraar Kamerlingh Onnes. Hij was bezig om gassen steeds verder te koelen (de man slaagde er ook als eerste in om helium vloeibaar te krijgen). Plotseling viel alle weerstand weg en bleef de stroom oneindig lang doorcirkelen.

Supergeleiders beloven dingen als energieopslag, energiebesparing, magnetische zweefbanen, zeer krachtige magneten en daarmee: zeer sterke elektromotoren. In de meeste supergeleidende materialen ligt de kritische temperatuur op slechts enkele kelvin (de SI-temperatuureenheid kelvin staat gelijk aan de graad Celsius, alleen met 0 K = -273,15 C: het absolute nulpunt). Deze temperatuur bereiken, kan alleen met zeer logge en kostbare koelsystemen met vloeibaar helium. Eind vorige eeuw werd het keramische materiaal YBCO ontdekt, dat een veel hoger kritisch punt kent: 73 kelvin, boven het kookpunt van stikstof en dus veel makkelijker te bereiken. YBCO en vergelijkbare materialen kennen een bijzondere gelaagde structuur, waardoor zogeheten Cooperparen, paren gebonden elektronen die supergeleiding veroorzaken, minder snel uit elkaar worden gerukt.

Miljoensten van seconden supergeleiding bij kamertemperatuur
In 2013 ontdekte een internationaal team onder leiding van Max Planck onderzoeker Andrea Cavalleri, dat wanneer YBCO wordt bestraald met infrarode laserpulsen, het materiaal gedurende zeer korte tijd supergeleidend wordt op kamertemperatuur. Pas nu is het mechanisme achter deze ontdekkign opogehelderd met behulp van de krachtige Amerikaanse rÃ¶ntgenlaser LCLS. Eerst werden bepaalde atomen binnen YBCO in een hogere energietoestand gebracht door de infraroodpuls. Vervolgens mat een rÃ¶ntgenpuls hoe de precieze kristalstructuur van YBCO was veranderd door de infraroodpuls.

Het resultaat: niet alleen had de infraroodpuls de atomen aangeslagen, maar had ook hun positie in het kristal verschoven. Dit maakte de dubbele koperdioxidelaag dikker (met 2 picometer, een honderdste diameter van een koperatoom); de laag tussen de koperdioxidelagen werd juist dunner met dezelfde afstand.
Kwantumtunneling is extreem gevoelig voor afstandsveranderingen. Zelfs deze kleine dikteverandering van een half procent bleek genoeg om de kwantumkoppeling tussen de koperdioxidelagen zo te versterken, dat het materiaal bij kamertemperatuur supergeleidend werd voor enkele picoseconden.

70037 Superconductor Meissner Effect DEMO V0353H

Het Meissnereffect

De gevolgen
Door deze ontdekking is er een belangrijk stuk van de puzzel die supergeleiding is, ontraadseld. Supergeleiding bij kamertemperatuur komt zo een stuk dichterbij.

Bron
1. A. Cavalleri et al, Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5, Nature, 4 December 2014; doi:10.1038/nature13875
2. Superconductivity room temperature, persmed. Max Planck Institut, 2014