materiaalkunde

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.

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)

 

‘Antimagneet is mogelijk’

Alvaro Sanchez en zijn groep hebben bedacht hoe een antimagneet gebouwd kan worden. Antimagneten zijn erg handig voor bepaalde toepassingen. Zo kan je een materiaal totaal onzichtbaar maken voor magnetische velden. Ideaal voor lieden met snode plannen…

Metamaterialen: revolutie in de materiaalkunde
Een metamateriaal is een materiaal dat uit laagjes van verschillende andere materialen bestaat. De eigenschappen van metamaterialen kunnen door materiaalwetenachappers aan worden gepast naar wens, waardoor zeldzame metalen zijn te vervangen en zelfs compleet nieuwe materiaaleigenschappen zijn te ontwikkelen die van nature in geen enkel materiaal voorkomen.

Onzichtbaarheidsmantels
Zo is het in bepaalde metamaterialen mogelijk om licht om een voorwerp heen te sturen, waardoor het onzichtbaar wordt. Deze toepassing, cloaking, zal – zo vermoeden velen – een revolutie in de elektronica veroorzaken.

Behalve cloaking kunnen metamaterialen ook magnetische velden manipuleren. Een statisch magnetisch veld is domweg een elektromagnetische golf met een frequentie van nul hertz, dus een stilstaande golf. Dit is precies wat Alvaro Sanchez en zijn collega’s van de Universitat Autonoma de Barcelona in Spanje doen met hun ontwerp voor een ‘antimagneet’.

De basisingrediënten zijn twee materialen: een materiaal met een magnetische doorlaatbaarheid kleiner dan 1 in één richting en een doorlaatbaarheid groter dan 1 in een richting haaks daarop. Materialen met dergelijke eigenschappen zijn makkelijk te vinden. Supergeleiders, bijvoorbeeld, hebben een doorlaatbaarheid van nul. Een magnetisch veld kan niet door een supergeleider heendringen. Standaard magneten hebben een magnetisch doorlaatbaarheid groter dan 1.

Het magnetische veld ziet er exact hetzelfde uit zonder tweede magneet (a) en als de tweede magneet is afgeschermd door de antimagneet (c).

Zo bouw je een antimagneet
Het probleem is hoe in een materiaal deze tegenstrijdige eigenschappen tegelijkertijd zijn aan te brengen. Sanchez kreeg dat voor elkaar door ferro-elektrische schillen te bedekken met een supergeleidende laag. Hierdoor kregen ze iets opmerkelijks: een ding dat in staat is een magneet totaal af te schermen van de wereld er buiten. Zodra de temperatuur daalt onder de kritische temperatuur voor supergeleiding, zou het voor een waarnemer buiten lijken alsof een magneet in het voorwerp plotseling uitgeschakeld is.

Sanchez noemt zijn vinding een ‘antimagneet’ en ziet verschillende interessante toepassingen. Magnetische mijnen kunnen zo omzeild worden. Ook kunnen op deze manier pacemakers en andere medische elektronica beschermd worden tegen sterke magnetsiche velden, bijvoorbeeld als de patiënt een MRI-scan ondergaat. De volgende stap is duidelijk. Er een bouwen…

Bron
Antimagnets: Controlling Magnetic Fields With Superconductor-Metamaterial Hybrids

Grafeen: lichter dan water en zo sterk als diamant

Het was al langer bekend dat grafeen een zeer sterk en licht materiaal is. Nu hebben Chinese onderzoekers ontdekt hoe de eigenschappen van grafeen nauwkeurig zijn in te stellen. Met hun nieuwe model kunnen ook de eigenschappen van grote stukken grafeen nauwkeurig worden berekend.

Grafeen als wondermateriaal
Grafeen lijkt op een soort kippengaas, bestaande uit een atoomdikke laag koolstofatomen. Grafiet (bekend van zachte potloden) bestaat uit laagjes grafeen. Het materiaal is extreem sterk, maar de laagjes glijden onderling gemakkelijk.

Op dit moment is het nog niet mogelijk grote stukken grafeen te maken, maar lukt dat, dan ontstaat een materiaal dat alle bekende materialen in kracht overtreft en tegelijkertijd zeer licht is.

Eigenschappen grafeen aan te passen

De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal

En er is nog meer goed nieuws. Het is mogelijk de treksterkte exact aan te passen door de onderlinge dwarsverbindingen van de laagjes grafeen aan te passen. Nu is het dus mogelijk om de eigenschappen van grafeen (en andere materialen die uit atoomdikke laagjes bestaan) precies zo te berekenen en aan te passen als gewenst.

De onderzoekers berekenden dat als ze extra dwarsverbindingen aan grafeen toevoegen, het materiaal ook veel luchtiger en twee keer lichter wordt dan standaard grafiet. Dit zou het materiaal voor bijvoorbeeld vliegtuigbouwers uiteraard zeer interessant maken. Het brandstofverbruik van een vliegtuig hangt rechtstreeks samen met het gewicht. Ook andere vervoermiddelen zoals auto’s en -vooral- ruimtevaartuigen, waarbij elke kilogram telt, zullen qua energieverbruik sterk profiteren van lichte, sterke materialen.

Grafeen als vervanger voor de meeste metalen
De mogelijkheden en implicaties hiervan zijn in principe enorm. Grafiet zal een zeer waardevolle grondstof worden, het belang van structurele metalen zal afnemen (al zullen ze belangrijk blijven als elektrische geleider). Zodra onderzoekers er in slagen om grafeen rechtstreeks te produceren, betekent dit dat er werkelijk eindeloze voorraden bouwmateriaal zijn, want koolstofatomen (waar grafeen uit bestaat) komen op aarde zeer veel voor. Met voldoende energie breekt dan een tijdperk van overvloed aan. De enige beperkende factor wordt dan het voorkomen van milieubelasting.

Bronnen
MIT Technology Review: Arxiv blog: How To Make Graphene Paper
Mechanical properties of graphene paper

Zelf herstellende laag onder invloed van UV-licht

In de uitgave van Nature van 21 april 2011 is een artikel gepubliceerd waarin wetenschappers van universiteit van Friborg (Zwitserland) aangeven erin geslaagd te zijn een zelf herstellende laag te produceren. Hoewel de gebruikte polymeren nog niet geschikt zijn voor commerciële doeleinden, is wel bewezen dat het werkt.

Licht is veel preciezer te gebruiken dan bijvoorbeeld warmte

De moleculen zijn dusdanig ontworpen dat het voor materialen mogelijk wordt om hun eigenschappen aan te passen onder invloed van hoge hoeveelheden ultraviolet licht, aldus professor Christoph Weder. Conventionele polymeren bestaan uit lange moleculen die soms uit duizenden atomen bestaan. Dit nieuwe materiaal is zo ontworpen dat het bestaat uit kleinere moleculen met daartussen een metaal ionen die als soort lijm fungeren. Op deze manier ontstaat er een zogenaamde ‘metallo-supramolecular polymer’ die qua functionaliteit veel weg heeft van de conventionele polymeren.

Een verschil is, dat als het materiaal korte tijd aan sterk ultraviolet licht wordt blootgesteld de ‘lijm’ tijdelijk niet meer werkt. Zo wordt het materiaal tijdelijk vloeibaar, waardoor het zichzelf weer kan herstructureren. In het geval van een beschadiging kan deze zo op een effectieve manier worden verholpen.

Als toepassingsmogelijkheid wordt er als eerste gedacht aan de autoverf industrie en het vernis voor onder andere vloeren, maar allicht is het in de toekomst mogelijk om het concept in andere industrieën toe te passen. Daarbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan zelf herstellende touch-screens of zonnepanelen (erg handig voor gebruik in de ruimte).

Bron: Aldolphe Merkle Institue

T-koolstof belooft waterstofrevolutie

T-koolstof, zoals de nieuwe vorm heet, is bijna zo sterk als diamant, maar erg poreus. Het materiaal kent een aantal opmerkelijke eigenschappen. Zo is het ideaal om waterstof in op te slaan. Betekent dit een doorbraak voor de waterstofauto?

Koolstof: veelzijdig element
Koolstof is vermoedelijk het veelzijdigste chemische element. De atoomsoort vormt het skelet van zo ongeveer de hele biochemie (dus alle leven) op aarde en er zijn talloze vormen waarin koolstof voor kan komen. Naast diamant en grafiet zijn ook fullerenen (een moleculaire voetbal) en koolstofnanobuisjes bekend. Het “wondermateriaal” grafeen is in feite een laagje grafiet van een atoom dik, beschikt over een aantal zeer bijzondere eigenschappen (de enorme treksterkte bijvoorbeeld, vijf keer die van staal) en is geschikt om in veel toepassingen staal te vervangen.

T-koolstof kan je het beste zien als poreuze diamant.

Waterstofopslag
Er is nu door Xian-Lei Sheng, Qing-Bo Yan, Fei Ye, Qing-Rong Zheng, and Gang Su van de Graduate University van de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, een nieuwe loot ontdekt aan de reeds vruchtbare stam van koolstofvarianten. T-koolstof bestaat uit een soort vlechtwerk van koolstofatomen waartussen zich grote poriën bevinden. In feite is het diamant, waarbij elk koolstofatoom is vervangen door een tetraëder (driehoekige piramide) van vier koolstofatomen. Het gevolg daarvan is dat er grote open ruimtes ontstaan tussen de tetraëders waar zich moleculen van andere stoffen, bijvoorbeeld waterstof, tussen kunnen wurmen. Waterstof bevat heel veel energie per gram maar is zelfs als vloeistof zeer licht: een liter waterstof heeft een massa van zeventig gram. Een materiaal als dit zou het mogelijk maken waterstof effectief samen te persen.

Luchtige halfgeleider
T-koolstof heeft nog meer opmerkelijke eigenschappen, zo wijzen berekeningen uit. Het materiaal is stabiel bij kamertemperatuur en is een halfgeleider. De luchtige samenstelling biedt nog extra toepassingsmogelijkheden. Zo zou het materiaal met enige wijzigingen wellicht te gebruiken kunnen zijn als batterij of katalysator voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Omdat het zowel luchtig als sterk is (tweederde keer zo sterk als diamant) , is het zeer interessant voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.

Bestaan stofnevels uit deze vorm van koolstof?
Koolstofrijke nevels absorberen veel meer licht dan theoretisch kan, uitgaande van de hoeveelheid koolstof in de nevels. De onderzoekers veronderstellen dat mogelijk T-koolstof hier verantwoordelijk voor is. Door de holtes in het materiaal worden veel meer lichtgolven ingevangen en uiteindelijk geabsorbeerd. Ook wordt wellicht gezocht naar de verkeerde koolstofvormen, waardoor koolstof lijkt te ontbreken. Ook koolstofrijke exoplaneten als WASP-12B zouden voor een belangrijk deel uit deze nieuwe koolstofallotroop kunnen bestaan.

Volgende stap: synthese
Het viertal wil nu proberen het theoretisch voorspelde materiaal daadwerkelijk in een lab te produceren. Dit belooft een zeer taaie klus te worden, immers hiervoor moet diamant, het hardst bekende materiaal  worden geëxpandeerd. Een andere techniek die de onderzoekers voorstellen, koolstofdampdepositie, eventueel met een later te verwijderen stof er tussen, lijkt kansrijker.

Bronnen:
PhysOrg
Physical Review Letters

Zwemmende en lopende magnetische gel

Onderzoekers zijn er in geslaagd om een materiaal te ontwikkelen dat in staat is zich te gedragen als een biologische spier. Opmerkelijk is dat het om een qua structuur heel eenvoudig materiaal gaat. Slechts het manipuleren van magneetvelden is al voldoende om het materiaal in beweging te zetten en zich te laten gedragen als worm, vis of rups.

Het materiaal, ontwikkeld door Miklós Zrínyi van de Semmelweiss Universiteit in Boedapest bestaat uit magnetische deeltjes die verwerkt zijn in een polymeer-gel. Zrínyi verwacht dat het materiaal gebruikt kan worden om robots van kunstmatige spieren te voorzien. Vergeleken met menselijke spieren – die bestaan uit zeer gecompliceerde bundels van myelinevezels – is het materiaal uiterst eenvoudig. Ontwerpers denken dat met behulp van dit soort materialen dingen als kleppen kunnen worden vervangen door meer organisch aandoende alternatieven.
Zal dit – of een verbeterde versie van – materiaal in de toekomst – kunnen worden gebruikt voor lopende of zwemmende robots? De video is in ieder geval spectaculair…

Soortgelijke rubberachtige materialen kunnen ook gebruikt worden om een motor mee te bouwen, bewees een team andere onderzoekers. Het lijkt er steeds meer op dat er een compleet nieuwe tak van mechanische techniek ontstaat, waarvan de onderdelen meer weg hebben van biologische organismen dan van rigide dingen met rammelende tandwielen en krukassen, zoals machines er vandaag de dag doorgaans uitzien. Zullen toekomstige auto’s meer weg hebben van een lopend dier waar je op of in kan gaan zitten, dan van rollende blikken op wielen?

Bron:
New Scientist (lopende gel)
New Scientist (motor van rubberachtige spieren)

Programmeerbare materie

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.

Een Stonehenge van atomen vormt een concentrisch patroon van elektron-waarschijnlijkheidsgolven.

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 lotus klopt met deze nanostructuurtjes alle bestaande oppervlaktebehandelingen.
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.

Dutch