13-03-2019

Imec heeft samen met KU Leuven binnen de EnergyVille samenwerking, een uniek materiaal ontwikkeld wat een doorbraak kan betekenen voor een heel aantal duurzame toepassingen. Het nieuwe materiaal is een extreem regelmatig driedimensionaal (metaal)rooster op nanometerschaal. Vanwege zijn uitzonderlijke materiaaleigenschappen én de eenvoud om het te produceren verwacht men dat het op grote schaal kan ingezet worden in de industrie. Denk aan efficiëntere batterijen, betere katalysatoren, brandstofcellen of waterstofproductie.


In wezen is het nieuwe materiaal een microscopisch driedimensionaal kippengaas. Het bestaat uit miljoenen rechtopstaande nanodraadjes die met een uitzonderlijke regelmaat op verschillende hoogtes horizontaal met elkaar zijn verbonden. Op die manier ontstaat een materiaal dat een hoge porositeit combineert met een uitzonderlijk grote oppervlakte per volume-eenheid. Per micrometer dikte stijgt het beschikbare oppervlak met een factor van bijna dertig. Ter vergelijking: een frisdrankblikje gevuld met een oppervlakte van een voetbalveld van dit materiaal zou nog steeds voor 75% lucht bevatten. Een ander interessant aspect is dat de afmetingen van het materiaal zowat volledig naar behoefte aangepast kunnen worden.

Een heel aantal industriële processen bouwen op chemische reacties die aan een oppervlak (moeten) plaatsvinden. Hoe meer oppervlak ter beschikking, hoe meer reacties gelijktijdig kunnen plaatsvinden en hoe sneller of efficiënter het resultaat. Denk aan de elektroden van batterijen, waarin bijvoorbeeld lithium zich omzet in lithium ionen. Of chemische katalysatoren zoals bij een auto, waarbij schadelijke stoffen worden geneutraliseerd aan een oppervlak. En ook brandstofcellen en de productie van waterstof, waarbij waterstof reageert of gevormd wordt aan een metallisch oppervlak.

Minstens even belangrijk voor zijn industriële toepasbaarheid is dat de unieke structuur door relatief eenvoudige processen gerealiseerd kan worden, en uit een variëteit van materialen. Door de parameters van de elektrochemische processen te sturen, kunnen de afmetingen van de gaasstructuur afgestemd worden op de specifieke toepassing. En om het helemaal mooi te maken, is het uiteindelijke materiaal een flexibele folie in tegenstelling tot concurrerende materialen zoals metaalschuimen en aerogels die meer rigide of broos zijn.

Prof. Philippe Vereecken, wetenschappelijk directeur bij imec en hoogleraar aan de faculteit bio-ingenieurswetenschappen van KU Leuven: ”We verwachten heel veel van dit nieuwe nanomateriaal. De vorming van de driedimensionale nanoporeuze structuur kennen we reeds een tijdje. Stanislaw Zankowski heeft tijdens zijn doctoraatswerk de fabricatie verder geoptimaliseerd zodat de unieke eigenschappen van surface-to-volume ratio en hoge porositeit ten volle benut kunnen worden. We verwelkomen alle bedrijven die het met ons willen doorontwikkelen voor duurzame toepassingen.”

Nanomesh

Nanomesh. Links: 3D impressie van de structuur. Midden: werkelijk beeld gemaakt met een elektronenmicroscoop toont de uitzonderlijke regelmaat. Rechts: het uiteindelijke materiaal is flexibel, waar concurrerende materialen rigide of broos zijn.

Nanomesh EnergyVille

Nanomesh kan eenvoudig gemaakt worden. Eerst ontstaat een mal, waarvan de afmetingen volledig flexibel kunnen gemaakt worden. Hierin kan elk materiaal aangebracht worden wat compatibel is met elektrochemische depositie. Tot slot wordt de mal weg geëtst en blijft de nanomesh over.