Selvhelbredende nanomaterialer, der kan bruges i solpaneler og andre elektroniske enheder, udforskes på Technion
Fra Terminator til Spidermans dragt vrimler selvreparerende robotter og enheder i sci-fi-film. I virkeligheden reducerer slitage imidlertid effektiviteten af elektroniske enheder, indtil de skal udskiftes. Hvad er den revnede skærm på din mobiltelefon healing sig natten over, eller solpaneler giver energi til satellitter løbende reparere skader forårsaget af mikro-meteoritter?
Inden for selvreparerende materialer er hastigt voksende, og hvad der plejede at være science fiction kan snart blive til virkelighed, takket være Technion – Israel Institute of Technology forskere, der udviklede miljøvenlige nanokrystal halvledere i stand til selvhelbredende. Deres resultater, der for nylig blev offentliggjort i Advanced Functional Materials, beskriver processen, hvor en gruppe materialer kaldet dobbelt perovskites viser selvhelbredende egenskaber efter at være blevet beskadiget af strålingen fra en elektronstråle. Perovskitterne, der først blev opdaget i 1839, har for nylig fået forskernes opmærksomhed på grund af unikke elektrooptiske egenskaber, der gør dem meget effektive i energiomdannelse på trods af billig produktion. Der er gjort en særlig indsats for at anvende blybaserede perovskitter i højeffektive solceller.
Technion forskningsgruppen af professor Yehonadav Bekenstein fra Det Tekniske Fakultet og Solid-State Institute på Technion søger efter grønne alternativer til den giftige bly og engineering blyfri perovskites. Holdet har specialiseret sig i syntese af nano-skala krystaller af nye materialer. Ved at styre krystallernes sammensætning, form og størrelse ændrer de materialets fysiske egenskaber.
Nanokrystaller er de mindste materialepartikler, der forbliver naturligt stabile. Deres størrelse gør visse egenskaber mere udtalt og muliggør forskningsmetoder, der ville være umulige på større krystaller, såsom billeddannelse ved hjælp af elektronmikroskopi for at se, hvordan atomer i materialerne bevæger sig. Dette var faktisk den metode, der gjorde det muligt at opdage selvreparation i de blyfrie perovskitter.
Perovskite nanopartiklerne blev produceret i Prof. Bekensteins laboratorium ved hjælp af en kort, enkel proces, der involverer opvarmning af materialet til 100 ° C i et par minutter. Da ph.d.-studerende Sasha Khalfin og Noam Veber undersøgte partiklerne ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop, opdagede de det spændende fænomen. Den højspændingselektronstråle, der anvendes af denne type mikroskop, forårsagede fejl og huller i nanokrystallerne. Forskerne var derefter i stand til at undersøge, hvordan disse huller interagerer med materialet omkring dem og bevæge sig og omdanne i det.
De så, at hullerne bevægede sig frit inden for nanokrystalen, men undgik dens kanter. Forskerne udviklede en kode, der analyserede snesevis af videoer lavet ved hjælp af elektronmikroskopet for at forstå bevægelsesdynamikken i krystallen. De fandt, at huller dannet på overfladen af nanopartiklerne, og derefter flyttet til energisk stabile områder inde. Årsagen til hullernes bevægelse indad var hypotese at være organiske molekyler belægning nanokrystallernes overflade. Når disse organiske molekyler blev fjernet, opdagede gruppen, at krystallen spontant skubbede hullerne ud til overfladen og ud og vendte tilbage til sin oprindelige uberørte struktur – med andre ord reparerede skorpen sig selv.
Denne opdagelse er et vigtigt skridt i retning af at forstå de processer, der gør det muligt perovskite nanopartikler til at helbrede sig selv, og baner vejen for deres inkorporering i solpaneler og andre elektroniske enheder.
Prof. Yehonadav Bekenstein afsluttede sine grader i fysik og kemi ved Hebrew University of Jerusalem. Efter et postdoc-stipendium ved University of California, Berkeley, blev han medlem af Technion-fakultetet i 2018. Han har modtaget flere priser, herunder Käte og Franz Wiener-prisen (Excellent PhD Thesis Award), Rothschild Fellowship for postdocs og Alon Scholarship for integration af Outstanding Faculty. I 2020 blev han tildelt ERC Starting Grant for forskere i den tidlige karriere.
Prof. Yehonadav Bekenstein, ph.D. Noam Veber, ph.D. Sasha Khalfin
For artiklen i Advanced Functional Materials klik her
Billedtekster:
- Gruppefoto. L-R : Professor Yehonadav Bekenstein, Sasha Khalfin og Noam Veber
Kredit: Rami Shelush - Elektronmikroskopibilleder, der viser dannelsen af hullet på overfladen af nanokrystalen og dens bevægelse indad. Kredit : Bekenstein lab
Klik her for en video, der forklarer forskningen
Elektronmikroskopi video, der viser dannelsen af hullet på overfladen af nanokrystalen og dens bevægelse indad
For mere information: Doron Shaham, Technion talsmand, +972-50-3109088
