Sci-fi films en superheldenverhalen verrassen ons steeds weer met uitmuntende materialen, bestand tegen elke vorm van schade. In sommige gevallen zijn dergelijke materialen zelfs in staat zichzelf te herstellen. Wat onrealistisch leek, of strikt voorbehouden aan Spiderman of Superman, wordt nu mogelijk dankzij een recente ontdekking van een groep wetenschappers.
Wetenschappers van het Technion Israel Institute of Technology hebben zelfhelende nanokristallen ontwikkeld; deeltjes die een duizendmiljoenste van een meter groot zijn. Zij maakten gebruik van dubbele perovskieten, materialen met potentiële toepassingen in zonnecellen.
De studiegroep onder leiding van Prof. Yehonadav Bekenstein is gespecialiseerd in de synthese van nanokristallen. Dat zijn de kleinste bestaande deeltjes die in staat zijn om op natuurlijke wijze stabiel te blijven. Door hun grootte kunnen zij worden bekeken met een transmissie-elektronenmicroscoop, waarbij een bundel elektronen wordt gebruikt in plaats van licht. Dit stelt hen in staat objecten te zien die kleiner zijn dan de golflengte van licht. En in dit geval om te zien hoe atomen binnenin de kristallen bewegen.
In feite is dit precies wat de ontdekking van Technion mogelijk heeft gemaakt. “Mijn collega Sasha Khalfin nam uren videobeelden op van de microscoop. Hij merkte op dat er iets aan de hand was wat we niet verwachtten”, herinnert Noam Veber zich. Hij is doctorandus in de natuurkunde en droeg bij aan het project dat werkte aan de berekeningen die nodig zijn om het fenomeen te reproduceren en de manier waarop het zich ontwikkelt te volgen.
Zelf herstellend
Perovskiet-nanopartikels zijn gemakkelijk te produceren. Voor het materiaal van Technion moet het materiaal enkele minuten tot 100°C worden verhit. Ze kunnen worden geanalyseerd onder de transmissie-elektronenmicroscoop, die met zijn elektronenbundelstraling gaatjes in de perovskiet-nanokristallen creëert. De Technion-wetenschappers wilden zien hoe dergelijke gaten interageren met het materiaal. Na verloop van tijd ontdekten zij dat zich gaten vormden aan het oppervlak van de nanodeeltjes, maar dat deze zich vervolgens snel verplaatsten naar de binnenste delen, naar de energetisch meest stabiele gebieden. Het leek alsof ze door een soort kracht naar binnen werden geduwd.
“Het leek ons contra-intuïtief, en toen hebben we onze eerste hypothese geformuleerd”, voegt Veber toe. Het oppervlak van nanokristallen wordt omgeven door organische moleculen – liganden genoemd, waarvan de toevoeging een noodzakelijk onderdeel is in de synthese van perovskiet nanokristallen. Daarom stelden de onderzoekers de hypothese op dat dit fenomeen iets te maken zou kunnen hebben met deze liganden. Zij verwijderden de liganden en merkten op dat het kristal vervolgens uit de gaten werd “geworpen”, waardoor het zichzelf herstelde.
Om duidelijk te maken waarom zo’n eigenaardig verschijnsel zich voordoet, moet worden gekeken naar de structuur van het materiaal. “De structuur van halogenide perovskietmaterialen wordt als zacht beschouwd. Conventionele halfgeleiders – zoals silicium – zijn daarentegen veel harder, als je daar een gat in maakt, blijft het op dezelfde plaats zitten. De relatieve zachtheid van de perovskieten maakt zelfgenezing mogelijk”, legt Veber uit.
Beperkingen
Gezien het potentiële gebruik van perovskieten in zonnecellen, is de ontdekking van Technion van belang voor de verbetering van zonnepanelen. Veber: “Stel je ruimtesatellieten voor die zonnepanelen gebruiken die voortdurend beschadigd raken. Dankzij dit proces zal het materiaal zichzelf herstellen, waardoor de schade die in de loop van de tijd is aangericht – tot op zekere hoogte – wordt hersteld.”
Op dezelfde manier kunnen ook zonnepanelen die in gebouwen worden gebruikt, van deze ontdekking profiteren. Ze zullen efficiënter worden en dus minder vaak vervangen hoeven te worden. Perovskieten hebben echter nog enkele belangrijke beperkingen. Zoals degradatie door contact met water. “Dat is heel anders dan bij silicium, het gangbare materiaal voor zonnepanelen. Om de huidige technologieën te vervangen, moeten we ze sterker maken”, benadrukt Veber.
Waarom glas zo lastig na te bootsen is voor zonnepanelen? Lees er hier meer over.
Om dit in de praktijk te brengen, moet verder onderzoek worden gedaan naar liganden. Ze weglaten is geen optie, omdat ze er mede voor zorgen dat de nanokristallen zijn, zoals ze zijn. Het weghalen van de organische moleculen zou tot gevolg hebben dat de kristallen gaan samenklonteren, waardoor de nanokristallen al hun eigenschappen zouden verliezen. “Een goede optie zou zijn om andere liganden te vinden die hun stabiliteit kunnen verbeteren zonder hun vermogen tot zelfgenezing op te geven”, stelt Veber voor.
Andere materialen
“Eerst moeten we het proces opschalen en experimenteren met andere materialen. Ik denk dat een dergelijk fenomeen ook in andere materialen kan worden aangetroffen”, stelt Veber. “Zo’n proces zou mogelijk ook met leds kunnen werken.”
Ook interessant: Machine-leermethoden helpen wetenschap zonnepanelen beter te snappen
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
