Onderzoek, ontwikkeling en innovatie

Een low-tech manier om high-tech materialen als optica, elektronica of sensoren te creëren

AMOLF-onderzoeker Christiaan Van Campenhout heeft een nieuwe, eenvoudige methode gevonden om een ​​materiaal te creëren met een regelmatig bandenpatroon van kristallen. Het patroon dat de kristallen vormen is geen toeval. Met een eenvoudige opstelling kunnen de onderzoekers de breedte van de banden en hun afstand nauwkeurig regelen. Dit zou een eenvoudige en kosteneffectieve manier kunnen zijn om optica, elektronica of s te produceren.

Microscopische patronen op A4-formaat. Op het eerste gezicht lijkt dit bruine vel plastic (links) niets bijzonders. Maar als je het onder een microscoop bekijkt, verschijnt er een extreem regelmatig patroon van microscopisch kleine strepen (rechts).

In al zijn eenvoud zijn het experiment en de resultaten opmerkelijk. Het plastic vel ziet er nogal gewoontjes uit met zijn bruinachtige kleur. Wanneer er echter een laserstraal doorheen gaat, ontstaat er aan de andere kant een patroon van stippen: het resultaat van de regelmatige smalle banden van kristallen die in het plastic zijn ingebed, onzichtbaar voor het blote oog. Dergelijke nauwkeurige controle over patroonvorming voor elektronica vereist doorgaans dure en complexe technieken zoals lithografie.

Van Campenhout voert zijn onderzoek uit in de groep Self-organizing matter onder leiding van Wim Noorduin, in samenwerking met de groep Mechanical Materials onder leiding van Martin van Hecke. Het doel is om eenvoudige, op de natuur geïnspireerde methoden te ontdekken om dergelijke componenten te maken. “In de natuur vind je overal regelmatige patronen, van de strepen van een zebra tot de patronen op een vlindervleugel. We willen een zelforganiserende, biologisch geïnspireerde strategie gebruiken om hightech materialen te creëren. Dit onderzoek is een goede stap in die richting.”

Dippen in plaats van krimpen
De kristallen in het patroon ontstaan door een chemische reactie tussen een stof in een gel (dat na het experiment opdroogt tot een vel plastic) en een stof in een oplossing die door diffusie in de gel trekt. Dat zich banden van kristallen vormen in dit zogeheten reactie-diffusieproces was al bekend. De onderzoekers publiceerden vorig jaar een artikel waarin ze lieten zien dat ze door de gel iets te laten krimpen zelfs een regelmatige bandenstructuur konden maken.

Die observatie zette ze aan het denken: kan het niet simpeler dan krimpen? “We zagen dat het vloeistofniveau en de plaats waar de reactie plaatsvindt in de gel door het krimpen op gelijke afstand van elkaar bleven. Dat zorgt voor de regelmatige bandenstructuur. Dat kunnen we mogelijk ook bereiken door de gel geleidelijk in de vloeistof te dompelen in plaats van de vloeistof door diffusie in de gel te laten trekken”, legt van Campenhout uit. Deze eenvoudige opzet werkte direct, tot groot plezier van van Campenhout: “Dit is mijn favoriete soort onderzoek: niet teveel analyseren maar bedenken: kan het niet simpeler? En dat het dan ook werkt.” Het proces kreeg de naam R-DIP: reaction-diffusion driven immersion-controlled patterning (het maken van patronen met een reactie-diffusieproces gecontroleerd door het dompelen in de oplossing).

Kleinere banden voor toepassingen
Al snel werd duidelijk dat de afstand tussen de banden afhangt van de snelheid waarmee het vloeistofniveau stijgt. Hoe sneller je de gel in de vloeistof dompelt, hoe dichter de banden bij elkaar komen. Aanvankelijk was de afstand tussen de banden 200 micrometer (0,2 mm) met een variatie van slechts 6 micrometer. Momenteel is de kleinste bandafstand 7 micrometer. “Voor veel interessante toepassingen is het essentieel om de banden nog dichter bij elkaar te hebben, rond de 0,2 micrometer of minder”, zegt Van Campenhout. Het onderzoek zal zich de komende tijd richten op het bereiken van dat doel.

Van Campenhout liet verder zien dat de methode schaalbaar is: met een vel ter grootte van een A4’tje werkt het ook. “Dat suggereert dat het geschikt is voor roll-to-roll productie, een manier waarop nu al elektronica op grote schaal wordt gemaakt.” Een andere toepassing is een zeer gevoelige druksensor. Twee lagen parallel over elkaar heen geven namelijk een zogeheten Moiré-patroon, dat je ziet veranderen naarmate de lagen iets worden ingedrukt. “Je kunt op die manier met het blote oog al een verandering zien als de gel maar een heel klein beetje wordt ingedrukt”, verklaart van Campenhout.

De komende tijd gaat van Campenhout uitzoeken of hij door middel van chemische modificaties de samenstelling van de banden kan veranderen zodat ze beter geschikt zijn voor toepassingen. Dat kan mogelijk met behulp van methoden die eerder in de groep Self-organizing matter van Noorduin werden ontwikkeld om calciumcarbonaat om te zetten in halfgeleiders. Tevens lijken de films erg op fotografische film. Daarbij gaat het ook om zilverzouten die voor de kleur en het contrast zorgen. “We onderzoeken of we de chemische kennis uit de fotografie kunnen gebruiken om films voor andere toepassingen te ontwikkelen.”


Meer nieuws over Onderzoek, ontwikkeling en innovatie