18 oktober 2011
Ultradunne piëzo-elektrische materialen winnen verloren energie
Het lijkt een gat in de markt: energie efficiënter gebruiken door een groter deel te gebruiken. Piëzo-elektrische materialen kunnen dat door trillingsenergie van bijvoorbeeld auto's en industriële machines te oogsten. Maar voordat dit in de praktijk ook goed gaat werken, moeten deze materialen lichter, dunner en minder giftig gemaakt worden. Een belangrijke stap hiertoe is nu gezet door een team van onderzoekers onder leiding van FOM-projectleider prof.dr. Beatriz Noheda (Rijksuniversiteit Groningen) in samenwerking met collega's uit Twente, Frankrijk en Spanje. Zij publiceren hun resultaten deze week in het toonaangevende tijdschrift Nature Materials.
Afbeelding 1: De X-ray diffractieintensiteitFiguur 1. De X-ray diffractieintensiteit gemeten in de vervormde ultra-dunne films, waarin periodieke zelf-organisatie en de ongewoon grote drukgradiënten te zien zijn.
Afbeelding 2: Transmissie elektronenmicroscoopopnameTransmissie elektronenmicroscoopopname op atomaire schaal van een
klein gebied van de ultradunne piëzo-elektrische films (a), waarin de drukgradiënten (kleurverschil in figuur b) en verbuiging van de polaire as van de films (pijlen in figuur b) te zien zijn.
Piëzo
Piëzo-elektrische materialen kunnen mechanische energie omzetten in elektrische energie en andersom. Hierdoor kennen ze toepassingen in vele gebruiksvoorwerpen, van gasaanstekers tot inkjetprinters en van echografie tot trillingsdempers. Maar er is een grotere rol voor deze bijzondere materialen weggelegd: zij zijn in staat om energie die nu verloren gaat, nuttig te gebruiken. Zo kunnen piëzo-elektrische materialen verloren energie van auto’s en industriële machines oogsten. De huidige piëzo-elektrische materialen zijn echter zwaar en giftig en daardoor niet geschikt voor grootschalige toepassingen zoals gebruik in wegen, rails en wasmachines.
Flexo-elektriciteit
De onderzoekers toonden aan dat ultradunne films met een dikte van ongeveer honderd atomaire lagen van de piëzo-elektrische materialen zichzelf periodiek kunnen organiseren op de nanometerschaal. De dunne film kan zich samentrekken en uitrekken in een regelmatig patroon. Dit zorgt voor enorme drukgradiënten en daardoor grote verschillen in de afstanden tussen de atomen. Deze drukgradiënten produceren een scheiding van ladingen, de zogenaamde flexo-elektriciteit, die het piëzo-elektrische effect (een scheiding van ladingen door externe vervormingen van het materiaal) aanzienlijk versterkt in dunne lagen.
Deze nieuwe manier van produceren van piëzo-elektriciteit is minder afhankelijk van de chemische samenstelling van het piëzomateriaal dan huidige technieken en kan daarom leiden tot niet giftige, lichtere en goedkopere en beter verkrijgbare materialen, zodat die overal inzetbaar worden voor energiewinning.
Prof.dr. Beatriz Noheda is adjunct-hoogleraar Functional Nanomaterials en Rosalind Franklin Fellow. In 2004 ontving zij een Vidi-beurs van NWO.
Referentie
Flexoelectric rotation of polarization in ferroelectric thin films, G. Catalan, A. Lubk, A. H. G. Vlooswijk, E. Snoeck, C. Magen, A. Janssens, G. Rispens, G. Rijnders, D. H. A. Blank en B. Noheda. Nature Materials.
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3141
