materiaalkunde

Vensterglas verbrijzelt kogel

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.

Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia

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.

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…

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 interessanter dan koolstofnanovezels?

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.

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

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 ​carbon nanothreads, Nature Communications, 2014
2. Zhan et al., From Brittle to Ductile: A Structure Dependent Ductility of Diamond Nanothread, ArXiv preprint server (2015)

Glas ongeveer zo sterk als staal ontwikkeld

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…

De nieuwe glassoort bestaat uit aluminium- en tantaaloxide.

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

TED talk: materialen van de toekomst

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.

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

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

Onderzoekers magnetiseren grafeen permanent

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 €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, €1 per vierkante meter, dan is het aantal toepassingen werkelijk krankzinnig groot.

Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.

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

‘Half-materie, half-licht deeltje ontdekt’

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: 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 Laboratory’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 light–matter coupling in two-dimensional atomic crystals, Nature Photonics, 2014

“Onmogelijke” supergeleider ontdekt

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.

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

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

Mijlpaal: supergeleiding bij kamertemperatuur bereikt

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.

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

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 röntgenlaser LCLS. Eerst werden bepaalde atomen binnen YBCO in een hogere energietoestand gebracht door de infraroodpuls. Vervolgens mat een röntgenpuls 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.


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

Kunstmatige spieren, 100x sterker dan menselijke spieren, ontwikkeld

Humanoïde robots zullen in de toekomst niet alleen sneller, maar ook veel sterker zijn dan mensen. Dit met behulp van twee wel zeer alledaagse technieken: vislijn en naald en draad. Tot verrassing van de onderzoekers bleken deze veel beter te werken dan diverse exotische materialen. De polyethyleen kabel trekt tot 49% samen als deze wordt verhit, direct of door middel van een elektrische stroom. Dit levert een kracht, die die van menselijk spierweefsel met dezelfde massa tientallen malen overtreft: per kilogram materiaal 7,1 pk (plm 56 kW of de spierkracht van meer dan honderd mensen).

.

Deze revolutionaire vinding kan ook exoskeletten voor verlamde mensen, arbeiders of soldaten aansturen. Omdat het polymeer waaruit vislijnen bestaan in allerlei diktes kan worden gefabriceerd, kan deze vinding zowel op zeer kleine als vrij grote schaal worden toegepast. Denk ook aan toepassingen als het openen en sluiten van kassen, in feite alles waar spierkracht voor nodig is. Nadeel is wel dat het proces aangestuurd wordt door temperatuur. Heftige temperatuursschommelingen produceren dus onverwachte resultaten. Aan de andere kant kan je hiermee wel door de omgevingstemperatuur gestuurde dingen laten gebeuren.

De kunstmatige spier in actie. Bron: Universiteit van Texas

 

 

 

 

 

 

 

Bron
Universiteit van Texas

Onderzoekers bereiken grote doorbraak zonne-energie

Zonnepanelen die per watt maar een vijfde kosten van de huidige generatie, maar wel met een bijna even hoog rendement worden spoedig mogelijk. Dat meldt het wetenschappelijke tijdschrift Science, op basis van onderzoek van de vooraanstaande Nanyang Technical University in Singapore. Wordt zonne-energie straks zo goedkoop dat we het niet eens meer hoeven op te slaan?

Vijf maal goedkoper per watt
De volgende generatie zonnecellen, gemaakt van anorganisch/organische hybride perovskiet-gebaseerde materialen, is ongeveer vijfmaal goedkoper dan de huidige dunne film zonnecellen door een eenvoudiger, op een oplossing gebaseerd productieproces. Van perovskiet, een in de natuur hun veelvoorkomend mineraal, was al eerder bekend dat het opmerkelijk geschikt is om zonnecellen van te bouwen: tot 15% van het zonlicht wordt in elektriciteit geconverteerd. Dit ligt dicht in de buurt van de efficiëntie van de meest verkochte commerciële zonnepanelen, rond de 17%.  Onderzoekers wisten tot nu toe niet waarom.

Zal perovskiet-gebaseerd materiaal voor zonnecellen de mensheid eindelijk verlossen van de wurggreep van fossiel? Bron: Wikimedia Commons

Daarom is perovskiet zo efficiënt
In het nieuwe onderzoek, door acht onderzoekers van de NTU in samenwerking met Michael Grätzel (bekend van zijn op fotosynthese-achtige processen gebaseerde zonnecellen), is nu ontdekt wat perovskiet zo efficiënt maakt. Op dit moment wordt deze nieuwe kennis toegepast door het Energy Research Institute @ NTU die een commercieel prototype van de perovskiet zonnecel ontwikkeld in samenwerking met het Australische bedrijf Dyesol Limited. Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van uiterst nauwkeurige apparatuur, waaronder een femtosecondelaser die het gedrag van elektronen en materie op femtoschaal uiterst nauwkeurig kon vastleggen. De groep ontdekte dat in perovskietmaterialen de elektronen, die los worden geslagen door de fotonen in zonlicht, veel verder kunnen reizen dan in andere materialen. Daardoor kan de perovskietlaag dikker worden, immers de elektronen kunnen verder reizen naar de elektronvangende metalen geleider. omdat de laag dikker kan zijn, wordt meer licht geabsorbeerd en produceert de zonnecel meer elektriciteit. De onderzoekers pasten een simpel productieproces toe, gebaseerd op het indrogen van een oplossing.

Bestaande zonnecellen overtroffen
Nu precies bekend is hoe perovskietmaterialen zich gedragen en wat het werkingsprincipe is, zijn technici in staat om het gedrag van de nieuwe zonnecellen af te strellen en de efficiëntie zo te verbeteren. Een van de leden van het team, Matthews, denkt dat uiteindelijk zelfs de performance van dunne-cel zonnepanelen geëvenaard en overtroffen kan worden met tot 20% efficiëntie. “The excellent properties of these materials, allow us to make light weight, flexible solar cells on plastic using cheap processes without sacrificing the good sunlight conversion efficiency.” in zijn woorden.

Bronnen
1. NTU scientists make breakthrough solar technology, NTU Press Release, 2013
2. Nripal Mathews, Grätzel et al., Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3, Science (2013)

Dutch