Slimme truc met houtvezels versnelt zoektocht naar betere keramiek

Keramische materialen zitten in vrijwel alle moderne elektronica: van smartphones en computers tot elektrische auto's en zonnepanelen. Ze zijn populair omdat ze bijzondere elektrische, magnetische en thermische eigenschappen hebben. Het probleem is dat het ontwikkelen van nieuwe, betere keramieksoorten traag gaat. Elke kandidaat-samenstelling moet apart worden gemaakt en getest, met veel handwerk: poeder afwegen, mengen, persen tot een tablet en vervolgens bakken.

Houtvezels als hulpmiddel

Een onderzoeksteam van het Institute of Science Tokyo, onder leiding van assistent-professor Sou Yasuhara, bedacht een kortere weg. In plaats van elk mengsel apart klaar te maken, lossen de onderzoekers keramische poeders eerst op in water met cellulose-nanovezels: piepkleine, draadvormige structuren gewonnen uit plantaardig materiaal. Deze nanovezels zorgen ervoor dat het poeder gelijkmatig verdeeld blijft, geven het mengsel voldoende samenhang en maken het dankzij hun thixotropie makkelijk te verwerken: het mengsel is vloeibaar tijdens het roeren, maar wordt daarna weer stabiel. Door verschillende basismengsels in andere verhoudingen samen te voegen, ontstaan direct nieuwe composities, die vervolgens gedroogd en gesinterd worden tot vaste keramiek. Waar normaal per samenstelling uren aan voorbereiding nodig zijn, kost dit met de nieuwe methode nog maar zo'n drie minuten handwerk. "Het ontwikkelen van nieuwe keramische materialen vereist het testen van honderden samenstellingen, waardoor synthese vaak de bottleneck is," aldus Yasuhara. "We wilden een eenvoudigere methode om dat proces te versnellen."

Test op bekend materiaal, dan verder zoeken

Om te controleren of de snelle methode geen kwaliteit inlevert, testten de onderzoekers eerst bariumtitanaat (BaTiO3), een veelgebruikt keramisch materiaal in condensatoren. De resulterende keramiek had dezelfde dichtheid, kristalstructuur en elektrische eigenschappen als materiaal gemaakt via de klassieke, tijdrovende methode. Daarna breidden de onderzoekers de aanpak uit naar complexere mengsels van bariumtitanaat met strontiumtitanaat en calciumtitanaat. Ook daarbij kwamen de resultaten overeen met eerder gepubliceerde metingen, wat aantoont dat de snelle methode betrouwbaar is.

Met die zekerheid gingen de onderzoekers op zoek naar een verbeterd materiaal voor condensatoren: een keramieksoort waarvan de zogeheten dielectrische constante, een maat voor hoeveel elektrische lading een materiaal kan opslaan, stabiel blijft bij wisselende temperaturen. Door snel tientallen composities van barium, strontium, calcium, titanium en zirkonium te testen, vonden ze een materiaal met de samenstelling Ba0,55Sr0,15Ca0,30(Ti0,91Zr0,09)O3. Dit materiaal houdt een hoge dielectrische constante van ongeveer 4.000 vast en blijft stabiel tussen de 30 en 125 graden Celsius, een bruikbare eigenschap voor elektronica die met wisselende temperaturen te maken krijgt.

Volgens de onderzoekers is de methode niet beperkt tot condensatormateriaal. Omdat er geen dure of gespecialiseerde apparatuur voor nodig is, kunnen ook laboratoria zonder geavanceerde automatisering er sneller mee experimenteren binnen de materiaalkunde. De onderzoekers willen de aanpak nu uitbreiden naar andere soorten keramiek, met als doel de ontwikkeling van nieuwe materialen voor elektronica en energietoepassingen te versnellen.