Eredoctor Chris Murray: nieuwe materialen

Zonne-energie opwekken met behulp van materialen die in de natuur niet voorkomen. Dat ideaal is een stuk dichterbij gekomen dankzij het onderzoek van nanowetenschapper Chris Murray. “Er zijn Nobelprijzen toegekend voor minder grote doorbraken”, zegt hoogleraar Chemie en Fysica van Nanostructuren Daniël Vanmaekelbergh. Aanstaande vrijdag krijgt Murray in Utrecht een eredoctoraat uitgereikt. Iedereen kent ze, de donkerblauwe panelen voor zonne-energie met als werkzaam bestanddeel kristallijn silicium. Met rond vijftien procent is het rendement van die zonnecellen goed, maar het is relatief duur om de atomen in het kristal in de regelmatige roostervorm te krijgen die nodig is voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit, en bovendien is kristallijn silicium niet voor alle toepassingen even geschikt.Vandaar dat onderzoekers al enige tijd op zoek zijn naar manieren om goedkopere en gemakkelijker hanteerbare zonnecellen te produceren. In Utrecht wordt dat onderzoek op verschillende plekken uitgevoerd. Terwijl hoogleraar Fysica van Devices Ruud Schropp in het Debye Instituut experimenteert met superdunne laagjes (‘dunne film’) amorf silicium, doet zijn collega Vanmaekelbergh (rechts op de foto naast Chris Murray) in datzelfde instituut onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van minuscuul kleine kristallen (quantum dots) in een colloïdale oplossing.Drie nanometerOpmerkelijk aan deze kristallen is dat hun optische eigenschappen afhankelijk worden van hun omvang (zie hoofdillustratie). Zo straalt een flesje cadmiumselenide met kristallen van 6 nanometer (zes tot de min negende meter) rood licht uit, terwijl een vloeistof met daarin chemisch dezelfde kristallen maar dan 3 nanometer groot, groen oplicht. Het ogenschijnlijk minieme verschil van drie nanometer heeft dus een enorm effect op het licht dat geabsorbeerd en uitgezonden wordt. Dat komt omdat op deze uiterst kleine schaal de wetten van de quantummechanica gelden. Vandaar de naam quantum colloïden of quantumdots.Vanmaekelbergh: "Het fantastische is dat we dus precies kunnen bepalen wat voor eigenschappen de door ons gemaakt kristallen hebben, simpelweg door hun omvang te variëren. In de natuur heeft elk materiaal met een bepaalde chemische structuur één en niet meer dan één set eigenschappen. Voor de door ons gemaakte kristallen geldt dat niet meer. Dankzij de nanotechnologie kunnen we een kristal nu elke kleur geven die we willen. En door er elektronen aan toe te voegen kunnen we ook de elektrische en de magnetische eigenschappen beïnvloeden. Door deze unieke eigenschap zijn quantum dots in potentie bruikbaar voor veel verschillende toepassingen, zoals plasmaschermen, ledverlichting en zonnecellen.  Methode-MurrayAanvankelijk was die bruikbaarheid beperkt omdat de kristallen die onderzoekers produceerden vol defecten zaten. Dat veranderde in 1993 toen Chris Murray aantoonde dat er een mooi, defectvrij nanokristal ontstaat als je de losse bestanddelen (bijvoorbeeld cadmium en selenium) bij een hoge temperatuur (250 °C) samenvoegt en de vloeistof dan langzaam laat afkoelen. Vanmaekelbergh: “Het artikel waarin hij dat publiceerde is inmiddels zo’n 3800 keer geciteerd. Het was echt een doorbraak. En het heeft effect gehad, want eigenlijk worden bijna alle quantum dots tegenwoordig gemaakt op basis van variaties op de methode-Murray.”Net zo belangrijk is volgens Vanmaekelbergh het artikel waarin Murray in 2003 liet zien hoe verschillende soorten quantum dots kunnen worden gecombineerd tot een ‘superrooster’. “In feite is een quantum dot een kunstmatig atoom dat tussen de honderd en duizend keer groter is dan een echt atoom. En zoals atomen onder bepaalde omstandigheden een kristalrooster vormen, kunnen quantum dots (in de illustratie: loodselenide en cadmiumselenide) dat ook. Maar een verschil is de ongekende vrijheid die zulke ‘kunstmatige’ atomen onderzoekers bieden. “In een superrooster kunnen dots met heel verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld halfgeleider en magnetisch)  met elkaar worden gecombineerd. Dat is met atomen veel moeilijker. We kunnen daardoor materialen maken die in de natuur niet voorkomen. Er ontstaan dus heel nieuwe mogelijkheden voor materiaal design.”ZonnecellenInmiddels wordt op meerdere plekken in de wereld gewerkt aan mogelijke toepassingen, zegt Vanmaekelbergh. “In de VS zijn op basis van quantum dots al zonnecellen geproduceerd met een rendement van rond vijf procent. Dat is economisch nog lang niet rendabel, maar de efficiency neemt zo snel toe dat deze zonnecellen andere ‘dunne film’ cellen (bijvoorbeeld van amorf silicium of van plastic) wel eens naar de kroon zouden kunnen steken.“Bovendien denken we nu ook aan een combinatie met thermo-elektrische quantum dots die warmte kunnen omzetten in elektriciteit. Stel je hebt een zonnecel met tien procent energie-efficiency. Dan is je warmteverlies dus negentig procent. Al zou je daarvan maar vijf procent kunnen omzetten in elektriciteit, dan is je rendement dus in één klap met de helft verbeterd.”Collegialiteit en concurrentieAl een kleine tien jaar kennen Murray en Vanmaekelbergh elkaar nu. Hun samenwerking speelt zich af in een sfeer waarin collegialiteit en concurrentie op een curieuze manier hand in hand gaan. “We kunnen het goed met elkaar vinden. We hebben onlangs zelfs samen een voorstel bij de Amerikaanse Science Foundation ingediend, waarbij Chris de chemie van quantum dots gaat bestuderen, terwijl wij ons op scanning tunneling microscopie gaan richten, een geavanceerde vorm van microscopie.“Maar het gekke is dat we tegelijkertijd ook concurrenten zijn”, aldus de Utrechtse onderzoeker die zijn aan de Universiteit van Pennsylvania verbonden collega onlangs de loef afstak door te publiceren hoe superroosters van drie verschillende typen quantum dots kunnen worden gemaakt.“Op het gebied van de scheikunde van quantum dots en superroosters is Chris iedereen de baas, daar moet ik eerlijk in zijn. Maar op het gebied van de fysica kunnen wij met onze microscopen onderzoek doen waartoe hij niet in staat is. En ook een driedimensionale reconstructie maken van het inwendige van een kristal gaat ons dankzij de expertise van het Debye Instituut in de tomografie beter af.“Op die gebieden hebben wij veel kennis en dat vormt, samen met de grote en brede Utrechtse traditie op het gebied van colloïden een voorname reden voor Chris om met ons samen te werken. Ondanks zijn Canadese wortels is hij een ‘echte Amerikaan’ die vooral gelooft in competitie. Als het zou kunnen, zou hij waarschijnlijk het liefst alles zelf doen. Maar omdat onze expertise de zijne zo mooi aanvult, verwacht ik dat we de komende tijd intensief zullen gaan samenwerken. Het doet mij veel plezier dat we die samenwerking met dit eredoctoraat kunnen onderstrepen.”EHEnorme draaikolkenEen groot probleem bij de constructie van zonnecellen op basis van quantum dots is het maken van een superdun laagje actief materiaal dat toch zo stevig is dat je het kunt oppakken en in een zonnecel plaatsen. Tot nu toe werd het actieve materiaal geproduceerd op een vaste ondergrond, maar het was heel lastig om het daar weer van te scheiden. Vandaar dat de groepen van Murray en Vanmaekelbergh vorig jaar onafhankelijk van elkaar gingen experimenteren met een vloeistof als ondergrond. Zij lieten een druppel van hun colloïdale vloeistof op die andere vloeistof vallen en hem vervolgens uitdrogen. Gevolg was dat de superdunne laag actief materiaal nu op de vloeistof werd gevormd, zodat hij daarna gemakkelijk met een pincet kon worden opgepakt.Vanmaekelbergh: “Wij dachten dat we een primeur hadden, want we waren al behoorlijk ver, toen Chris zijn resultaat publiceerde. Hij was ons dus net voor geweest. Dat was wel even balen, want we wisten niet dat hij er ook mee bezig was. Maar goed, dat is ‘all in the game’ in de wetenschap. Wij zijn die vloeistof-vloeistof systemen hier in Utrecht nu verder aan het onderzoeken, want er treden heel nieuwe, spectaculaire verschijnselen in op. Vlak voordat de colloïdale vloeistof is opgelost, zien we enorme draaikolken ontstaan waarvan we niets begrijpen. Wat we wel zeker weten is dat ze met de quantum dots te maken hebben, want in dezelfde vloeistof zonder dots gebeurt niets.

Artikel
on 24/03/2011

Zonne-energie opwekken met behulp van materialen die in de natuur niet voorkomen. Dat ideaal is een stuk dichterbij gekomen dankzij het onderzoek van nanowetenschapper Chris Murray. “Er zijn Nobelprijzen toegekend voor minder grote doorbraken”, zegt hoogleraar Chemie en Fysica van Nanostructuren Daniël Vanmaekelbergh. Aanstaande vrijdag krijgt Murray in Utrecht een eredoctoraat uitgereikt.

Iedereen kent ze, de donkerblauwe panelen voor zonne-energie met als werkzaam bestanddeel kristallijn silicium. Met rond vijftien procent is het rendement van die zonnecellen goed, maar het is relatief duur om de atomen in het kristal in de regelmatige roostervorm te krijgen die nodig is voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit, en bovendien is kristallijn silicium niet voor alle toepassingen even geschikt.

Vandaar dat onderzoekers al enige tijd op zoek zijn naar manieren om goedkopere en gemakkelijker hanteerbare zonnecellen te produceren. In Utrecht wordt dat onderzoek op verschillende plekken uitgevoerd. Terwijl hoogleraar Fysica van Devices Ruud Schropp in het Debye Instituut experimenteert met superdunne laagjes (‘dunne film’) amorf silicium, doet zijn collega Vanmaekelbergh (rechts op de foto naast Chris Murray) in datzelfde instituut onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van minuscuul kleine kristallen (quantum dots) in een colloïdale oplossing.

Drie nanometer

Opmerkelijk aan deze kristallen is dat hun optische eigenschappen afhankelijk worden van hun omvang (zie hoofdillustratie). Zo straalt een flesje cadmiumselenide met kristallen van 6 nanometer (zes tot de min negende meter) rood licht uit, terwijl een vloeistof met daarin chemisch dezelfde kristallen maar dan 3 nanometer groot, groen oplicht. Het ogenschijnlijk minieme verschil van drie nanometer heeft dus een enorm effect op het licht dat geabsorbeerd en uitgezonden wordt. Dat komt omdat op deze uiterst kleine schaal de wetten van de quantummechanica gelden. Vandaar de naam quantum colloïden of quantumdots.

Vanmaekelbergh: "Het fantastische is dat we dus precies kunnen bepalen wat voor eigenschappen de door ons gemaakt kristallen hebben, simpelweg door hun omvang te variëren. In de natuur heeft elk materiaal met een bepaalde chemische structuur één en niet meer dan één set eigenschappen. Voor de door ons gemaakte kristallen geldt dat niet meer. Dankzij de nanotechnologie kunnen we een kristal nu elke kleur geven die we willen. En door er elektronen aan toe te voegen kunnen we ook de elektrische en de magnetische eigenschappen beïnvloeden. Door deze unieke eigenschap zijn quantum dots in potentie bruikbaar voor veel verschillende toepassingen, zoals plasmaschermen, ledverlichting en zonnecellen.  

Methode-Murray

Aanvankelijk was die bruikbaarheid beperkt omdat de kristallen die onderzoekers produceerden vol defecten zaten. Dat veranderde in 1993 toen Chris Murray aantoonde dat er een mooi, defectvrij nanokristal ontstaat als je de losse bestanddelen (bijvoorbeeld cadmium en selenium) bij een hoge temperatuur (250 °C) samenvoegt en de vloeistof dan langzaam laat afkoelen. Vanmaekelbergh: “Het artikel waarin hij dat publiceerde is inmiddels zo’n 3800 keer geciteerd. Het was echt een doorbraak. En het heeft effect gehad, want eigenlijk worden bijna alle quantum dots tegenwoordig gemaakt op basis van variaties op de methode-Murray.”

Net zo belangrijk is volgens Vanmaekelbergh het artikel waarin Murray in 2003 liet zien hoe verschillende soorten quantum dots kunnen worden gecombineerd tot een ‘superrooster’. “In feite is een quantum dot een kunstmatig atoom dat tussen de honderd en duizend keer groter is dan een echt atoom. En zoals atomen onder bepaalde omstandigheden een kristalrooster vormen, kunnen quantum dots (in de illustratie: loodselenide en cadmiumselenide) dat ook. Maar een verschil is de ongekende vrijheid die zulke ‘kunstmatige’ atomen onderzoekers bieden. “In een superrooster kunnen dots met heel verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld halfgeleider en magnetisch)  met elkaar worden gecombineerd. Dat is met atomen veel moeilijker. We kunnen daardoor materialen maken die in de natuur niet voorkomen. Er ontstaan dus heel nieuwe mogelijkheden voor materiaal design.”

Zonnecellen

Inmiddels wordt op meerdere plekken in de wereld gewerkt aan mogelijke toepassingen, zegt Vanmaekelbergh. “In de VS zijn op basis van quantum dots al zonnecellen geproduceerd met een rendement van rond vijf procent. Dat is economisch nog lang niet rendabel, maar de efficiency neemt zo snel toe dat deze zonnecellen andere ‘dunne film’ cellen (bijvoorbeeld van amorf silicium of van plastic) wel eens naar de kroon zouden kunnen steken.

“Bovendien denken we nu ook aan een combinatie met thermo-elektrische quantum dots die warmte kunnen omzetten in elektriciteit. Stel je hebt een zonnecel met tien procent energie-efficiency. Dan is je warmteverlies dus negentig procent. Al zou je daarvan maar vijf procent kunnen omzetten in elektriciteit, dan is je rendement dus in één klap met de helft verbeterd.”

Collegialiteit en concurrentie

Al een kleine tien jaar kennen Murray en Vanmaekelbergh elkaar nu. Hun samenwerking speelt zich af in een sfeer waarin collegialiteit en concurrentie op een curieuze manier hand in hand gaan. “We kunnen het goed met elkaar vinden. We hebben onlangs zelfs samen een voorstel bij de Amerikaanse Science Foundation ingediend, waarbij Chris de chemie van quantum dots gaat bestuderen, terwijl wij ons op scanning tunneling microscopie gaan richten, een geavanceerde vorm van microscopie.

“Maar het gekke is dat we tegelijkertijd ook concurrenten zijn”, aldus de Utrechtse onderzoeker die zijn aan de Universiteit van Pennsylvania verbonden collega onlangs de loef afstak door te publiceren hoe superroosters van drie verschillende typen quantum dots kunnen worden gemaakt.

“Op het gebied van de scheikunde van quantum dots en superroosters is Chris iedereen de baas, daar moet ik eerlijk in zijn. Maar op het gebied van de fysica kunnen wij met onze microscopen onderzoek doen waartoe hij niet in staat is. En ook een driedimensionale reconstructie maken van het inwendige van een kristal gaat ons dankzij de expertise van het Debye Instituut in de tomografie beter af.

“Op die gebieden hebben wij veel kennis en dat vormt, samen met de grote en brede Utrechtse traditie op het gebied van colloïden een voorname reden voor Chris om met ons samen te werken. Ondanks zijn Canadese wortels is hij een ‘echte Amerikaan’ die vooral gelooft in competitie. Als het zou kunnen, zou hij waarschijnlijk het liefst alles zelf doen. Maar omdat onze expertise de zijne zo mooi aanvult, verwacht ik dat we de komende tijd intensief zullen gaan samenwerken. Het doet mij veel plezier dat we die samenwerking met dit eredoctoraat kunnen onderstrepen.”

EH


Enorme draaikolken

Een groot probleem bij de constructie van zonnecellen op basis van quantum dots is het maken van een superdun laagje actief materiaal dat toch zo stevig is dat je het kunt oppakken en in een zonnecel plaatsen. Tot nu toe werd het actieve materiaal geproduceerd op een vaste ondergrond, maar het was heel lastig om het daar weer van te scheiden. Vandaar dat de groepen van Murray en Vanmaekelbergh vorig jaar onafhankelijk van elkaar gingen experimenteren met een vloeistof als ondergrond. Zij lieten een druppel van hun colloïdale vloeistof op die andere vloeistof vallen en hem vervolgens uitdrogen. Gevolg was dat de superdunne laag actief materiaal nu op de vloeistof werd gevormd, zodat hij daarna gemakkelijk met een pincet kon worden opgepakt.

Vanmaekelbergh: “Wij dachten dat we een primeur hadden, want we waren al behoorlijk ver, toen Chris zijn resultaat publiceerde. Hij was ons dus net voor geweest. Dat was wel even balen, want we wisten niet dat hij er ook mee bezig was. Maar goed, dat is ‘all in the game’ in de wetenschap. Wij zijn die vloeistof-vloeistof systemen hier in Utrecht nu verder aan het onderzoeken, want er treden heel nieuwe, spectaculaire verschijnselen in op. Vlak voordat de colloïdale vloeistof is opgelost, zien we enorme draaikolken ontstaan waarvan we niets begrijpen. Wat we wel zeker weten is dat ze met de quantum dots te maken hebben, want in dezelfde vloeistof zonder dots gebeurt niets.


Advertentie