De mogelijkheid om zelfherstellende nanomaterialen te gebruiken in zonnepanelen en andere electronische apparaten wordt onderzocht op het Technion.

 Van de Terminator tot Spidermans pak, zelfreparerende robots en apparaten horen thuis in sci-fi-films. In werkelijkheid raken electronische apparaten door het gebruik ervan op den duur onbruikbaar, en moeten vervangen worden. Maar wat nu als het gebroken scherm van je telefoon zichzelf ’s nachts kan repareren, of de zonnepanelen die satellieten van energie voorzien zichzelf kunnen herstellen van de schade die aangericht wordt door micrometeorieten?

Het gebied van zelfherstellende materialen breidt zich snel uit, en wat vroeger sciencefiction was, kan binnenkort werkelijkheid worden. Dit dankzij Technion-wetenschappers (Israel Institute of Technology) die milieuvriendelijke nanokristalhalfgeleiders hebben ontwikkeld die in staat zijn tot zelfgenezing. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Advanced Functional Materials, beschrijven het proces waarbij een groep materialen, dubbele perovskieten genaamd, zelfherstellende eigenschappen vertoont nadat ze zijn beschadigd door de straling van een elektronenstraal. De perovskieten, voor het eerst ontdekt in 1839, hebben onlangs de aandacht van wetenschappers getrokken vanwege de unieke elektro-optische eigenschappen die ze zeer efficiënt maken in energieconversie, ondanks goedkope productie. Er is speciale aandacht besteed aan het gebruik van op lood gebaseerde perovskieten in zeer efficiënte zonnecellen.

De Technion-onderzoeksgroep van professor Yehonadav Bekenstein van de Faculty of Material Sciences and Engineering en het Solid-State Institute zoekt naar groene alternatieven voor het giftige lood en het produceren van loodvrije perovskieten. Het team is gespecialiseerd in de synthese van kristallen op nanoschaal van nieuwe materialen. Door de samenstelling, vorm en grootte van de kristallen te regelen, veranderen ze de fysieke eigenschappen van het materiaal.

Nanokristallen zijn de kleinste materiaaldeeltjes die van nature stabiel blijven. Hun grootte maakt bepaalde eigenschappen meer uitgesproken en maakt onderzoeksbenaderingen mogelijk die onmogelijk zouden zijn op grotere kristallen, zoals beeldvorming met behulp van elektronenmicroscopie om te zien hoe atomen in de materialen bewegen. Dit was in feite de methode die de ontdekking van zelfherstel in de loodvrije perovskieten mogelijk maakte.

De perovskiet-nanodeeltjes werden geproduceerd in het laboratorium van prof. Bekenstein met behulp van een kort, eenvoudig proces waarbij het materiaal enkele minuten tot 100°C wordt verwarmd. Toen Ph.D.-studenten Sasha Khalfin en Noam Veber de deeltjes onderzochten met een transmissie-elektronenmicroscoop, ontdekten het opwindende fenomeen. De hoogspanningselektronenbundel die door dit type microscoop wordt gebruikt, veroorzaakte fouten en gaten in de nanokristallen. De onderzoekers konden vervolgens onderzoeken hoe deze gaten reageerden op het materiaal om hem heen, en hoe ze daarin bewogen en transformeerden.

Ze zagen dat de gaten vrij binnen het nanokristal bewogen, maar de randen ervan vermeden. De onderzoekers ontwikkelden een code die tientallen video’s analyseerde die met de elektronenmicroscoop waren gemaakt om de bewegingsdynamiek in het kristal te begrijpen. Ze ontdekten dat er gaten werden gevormd op het oppervlak van de nanodeeltjes en vervolgens naar energetisch stabiele gebieden binnenin verhuisden. De reden voor de beweging van de gaten naar binnen werd verondersteld te zijn organische moleculen die het oppervlak van de nanokristallen bedekken. Toen deze organische moleculen eenmaal waren verwijderd, ontdekte de groep dat het kristal spontaan de gaten naar het oppervlak duwde en uitstootte, en terugkeerde naar zijn oorspronkelijke ongerepte structuur – met andere woorden, de kristal herstelde zichzelf.

Deze ontdekking is een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van de processen waardoor perovskiet-nanodeeltjes zichzelf kunnen genezen, en maakt de weg vrij voor hun opname in zonnepanelen en andere elektronische apparaten.

Prof. Yehonadav Bekenstein voltooide zijn diploma natuurkunde en scheikunde aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Na een postdoctorale fellowship aan de University of California, Berkeley, trad hij in 2018 toe tot de Technion-faculteit. Hij heeft meerdere prijzen ontvangen, waaronder de Käte and Franz Wiener Prize (Excellent PhD Thesis Award), de Rothschild Fellowship voor postdoctorale wetenschappers en de Alon Beurs voor de integratie van een uitstekende faculteit. In 2020 ontving hij de ERC Starting Grant voor beginnende wetenschappers.

 

 

Klik hier voor het artikel in Advanced Functional Materials.

Klik hier voor een video waarin het onderzoek verder wordt uitgelegd (Engels).

Voor meer informatie over dit artikel: Doron Shaham, Technion-woordvoerder, +972-50-3109088.

 

Wilt u graag op de hoogte blijven of meer weten over de Israëlische markt? Neem dan contact op met onze Handelsmissie in Den Haag via holland@israeltrade.gov.il of 070 376 0514.