13 april 2011
Onderzoekers TU Eindhoven hebben vervanging voor zeldzaam materiaal indiumtinoxide
Indiumtinoxide (ITO) is een belangrijk materiaal in de beeldschermen van allerlei apparaten die we dagelijks gebruiken, zoals tv's, telefoons, laptops, maar ook in zonnecellen. Helaas is Indium een zeldzaam metaal, waarvan verwacht wordt dat het binnen een tiental jaar zo goed als op is. Onderzoekers aan de TU Eindhoven zijn er nu in geslaagd een materiaal te ontwikkelen dat kan gaan dienen als vervanging voor ITO.
afbeelding: 4-punts geleidingsmeting aan de nieuwe transparante geleidende film, die bedacht is door prof. Cor Koning (links) en prof. Paul van der Schoot (rechts). Het zwarte potje bevat koolstof nanobuisjes gedispergeerd in water, het witte potje bevat de geleidende latex. Foto: Bart van Overbeeke.
Het gaat om een doorzichtige, geleidende film, die geproduceerd is in water, op basis van elektrisch geleidende koolstof nanobuisjes en nanodeeltjes van plastic. Gemaakt van niet-zeldzame materialen, en nog milieuvriendelijk ook. De resultaten, die ook nieuw licht schijnen op geleiding in complexe composietmaterialen, zijn 10 april online verschenen bij het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.
Het onderzoeksteam wist door de combinatie van carbon nanotubes en een geleidende latex een hoge geleiding te realiseren bij een geringe concentratie van beide stoffen in een goedkope polystyreen film. Samen maken de nanotubes en de latex minder dan 1 procent uit van het gewicht van de geleidende film. Dat is belangrijk, want bij een hoge concentratie carbon nanotubes wordt de film zwart en ondoorzichtig, dus moet de concentratie zo laag mogelijk. Het team werd geleid door theoretisch fysicus Paul van der Schoot en polymeerchemicus Cor Koning. Eerste auteur van het artikel in Nature Nanotechnlogy is Andriy Kyrylyuk, tot voor kort onderzoeker in de groep van Van der Schoot.
De onderzoekers gebruiken standaard verkrijgbare nanotubes, die ze oplossen in water. Daar doen ze de geleidende latex (een oplossing van polymeerbolletjes in water) bij, en daar komt vervolgens het bindmiddel bij; polystyreen bolletjes. Bij verwarming vloeien deze polystyreenbolletjes samen tot de film, met daarin opgesloten een geleidend netwerk van nanobuisjes en bolletjes uit de geleidende latex. Het water, dat alleen dient als verdeelmiddel in de productie, wordt met vriesdrogen verwijderd. Het ‘recept’ is geen kwestie van goed geluk, de onderzoekers rekenden dit vooraf uit en snappen ook hoe de verhoogde geleiding werkt.
De transparante film heeft een geleidingsniveau dat nog een factor 100 lager is dan dat van indiumtinoxide. Maar Van der Schoot en Koning verwachten dat dit gat snel gedicht kan worden. Koning: “We hebben gewerkt met standaard koolstof nanobuisjes; dat is een mengsel van metallisch geleidende en half-geleidende buisjes. Maar zodra je kunt gaan werken met 100 procent metallische buisjes, gaat de geleiding sterk omhoog. De productietechniek voor 100 procent metallische buisjes is net ontwikkeld, en we verwachten dat de prijs ook snel omlaag zal gaan.” Wel is de geleiding van de film al goed genoeg om direct gebruikt te worden als antistatische laag voor beeldschermen, of voor EMI-shielding, het afschermen van elektromagnetische straling.
De film heeft een belangrijk voordeel boven ITO: het is milieuvriendelijk. Alle stoffen zijn op waterbasis, en er komen geen zware metalen zoals tin bij kijken. Bovendien is de nieuwe film ook een goed materiaal voor flexibele beeldschermen.
De onderzoekers zelf zijn zeer te spreken over de diversiteit in hun team, die volgens hun bepalend is geweest voor de resultaten. Van der Schoot: “We hadden een unieke combinatie van theoretici, mensen die modelleren en simuleren en mensen die praktische experimenten doen. Zonder die combinatie was dit niet gelukt.”
Het artikel ‘Controlling Electrical Percolation in Multi-Component Carbon Nanotube Dispersions’ is zondag 10 april online verschenen bij tijdschrift Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/NNANO.2011.40). Het onderzoek is onderdeel van het onderzoeksprogramma op het gebied van Functional Polymer Systems van het Dutch Polymer Institute (DPI), dat dit werk financieel steunde. Prof. Cor Koning werkt bij de groep Polymer Chemistry (faculteit Scheikundige Technologie) en prof. Paul van der Schoot bij de groep Theory of Polymers and Soft Matter (faculteit Technische Natuurkunde). De andere auteurs van het artikel zijn Andriy Kyrylyuk (eerste auteur), Marie Claire Hermant, Tanja Schilling en Bert Klumperman.
