Elastische rekvormgeving
Stel je een paperclip voor. Buig je hem een klein stukje, dan veert hij vanzelf terug naar zijn oorspronkelijke vorm zodra je loslaat. Buig je te ver, dan blijft hij krom staan of breekt hij. Dat eerste, terugverende stukje heet in de natuurkunde elastische vervorming: de atomen in het materiaal worden even iets uit hun rustpositie geduwd, maar springen terug zodra de kracht wegvalt. Elastische rekvormgeving (in het Engels elastic strain engineering) is de wetenschap die deze tijdelijke, omkeerbare vervorming - de "rek" - gebruikt om de eigenschappen van een materiaal te veranderen, zonder het blijvend te beschadigen.
Het bijzondere is dat piepkleine materialen, zoals draadjes van een paar nanometer dik (een nanometer is een miljardste meter) of vellen van één atoom dik, veel verder elastisch kunnen rekken dan hetzelfde materiaal in een groot, massief blok. Een stuk siliciumkristal ter grootte van een suikerklontje breekt al bij een rek van minder dan een procent; een siliciumdraadje van een paar nanometer dik kan soms tien procent of meer uitrekken zonder te breken. Binnen dat grotere rekbereik verandert er iets fundamenteels: de afstanden tussen atomen veranderen net genoeg om te bepalen hoe elektronen zich gedragen, welke kleur licht een materiaal uitzendt, of hoe goed het een chemische reactie versnelt. Rek wordt zo een extra "knop" waarmee onderzoekers materiaaleigenschappen kunnen afstellen, naast de gebruikelijke knoppen zoals samenstelling of temperatuur.
Wat is het precies?
Ieder vast materiaal is opgebouwd uit atomen die op vaste onderlinge afstanden staan, vastgehouden door chemische bindingen - vergelijkbaar met knikkers die met veertjes aan elkaar vastzitten. Oefen je van buitenaf kracht uit, dan worden die veertjes even opgerekt of ingedrukt. Zolang de kracht binnen bepaalde grenzen blijft, keert alles terug naar de oorspronkelijke stand zodra je loslaat: dat is de elastische zone. Ga je verder, dan schuiven atoomlagen blijvend langs elkaar (plastische vervorming) of breken bindingen definitief (breuk).
Bij normale, macroscopische materialen is die elastische zone smal: metalen vervormen elastisch meestal met minder dan een half procent rek, keramiek en halfgeleiders zoals silicium vaak met minder dan een procent. Kleine defecten - roosterfouten, scheurtjes, verontreinigingen - zorgen ervoor dat het materiaal al bij lage rek plastisch vervormt of breekt. Verklein je een materiaal echter tot nanometerschaal, dan bevat een enkel draadje, deeltje of laagje vaak nauwelijks nog defecten: er is simpelweg te weinig materiaal om een scheurtje in te laten groeien. Daardoor kan het veel dichter bij zijn theoretische, door de chemische binding bepaalde maximale rek komen, soms wel vijf tot tien procent.
Onderzoekers gebruiken diverse technieken om die rek gecontroleerd aan te brengen en vast te houden: door het materiaal te buigen over een gebogen ondergrond, het op een rekbaar substraat te plakken en dat uit te rekken, het tussen twee naaldjes onder een microscoop te trekken, of door een dunne laag op een ander kristal te laten groeien met een net iets andere roosterafstand ("epitaxiale rek"). Vervolgens meten ze hoe eigenschappen als geleidbaarheid, lichtuitstoot of chemische reactiviteit veranderen bij toenemende rek.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is materiaaleigenschappen te ontwerpen zonder de chemische samenstelling te wijzigen. Normaal gesproken pas je een halfgeleider aan door er andere atomen in te mengen (doteren) of door een heel ander materiaal te kiezen. Rek biedt een alternatief: door simpelweg te buigen of te rekken, verschuif je bijvoorbeeld de bandkloof van een halfgeleider - de energie die een elektron nodig heeft om vrij te kunnen bewegen en dus stroom te geleiden of licht uit te zenden. Dat maakt rek aantrekkelijk omdat het omkeerbaar, nauwkeurig regelbaar en in principe goedkoop is: geen nieuwe grondstoffen, alleen mechanische kracht.
Concrete beloften die vaak genoemd worden: sneller schakelende transistors doordat elektronen makkelijker door een licht vervormd kristalrooster bewegen; lichtbronnen (leds, lasers) waarvan de kleur instelbaar is door de mate van rek; katalysatoren die chemische reacties efficiënter laten verlopen doordat gerekte metaaloppervlakken moleculen anders vasthouden; en flexibele elektronica en sensoren die blijven functioneren terwijl ze gebogen worden, in plaats van pas te breken bij de eerste vouw. Sommige onderzoekers zien rek ook als hulpmiddel om magnetische eigenschappen of supergeleiding aan te sturen.
Belangrijk is dat rek in deze context niet hetzelfde is als simpelweg "flexibele materialen maken", zoals bij buigbare telefoonschermen. Het gaat specifiek om het gebruiken van de rek zelf als sturingsmechanisme voor een fysische of chemische eigenschap, niet alleen om het materiaal ongeschonden te laten buigen.
Voorbeelden uit de praktijk
Gerekt silicium in computerchips (vanaf 2004). Chipfabrikant Intel voegde in zijn 90-nanometer productieproces een dunne laag siliciumgermanium toe onder het siliciumkanaal van transistors. Doordat dat materiaal een net iets andere roosterafstand heeft, wordt het siliciumkanaal licht opgerekt. Die rek verlaagt de weerstand die elektronen ondervinden, waardoor de transistor sneller schakelt. Dit is een van de weinige voorbeelden van rekvormgeving die al jarenlang in massaproductie wordt toegepast, ver voordat de term "elastische rekvormgeving" gangbaar werd.
Diamanten naaldjes die tot bijna tien procent buigen (2018). Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology en de City University of Hong Kong, onder wie Ju Li en Yang Lu, lieten in het tijdschrift Science zien dat naaldvormige diamantkristallen van enkele honderden nanometers dik elastisch tot ongeveer negen procent kunnen buigen zonder te breken - diamant staat bekend als extreem hard maar bros, dus dit was een verrassend groot rekbereik. Ze toonden ook aan dat de bandkloof van diamant, en daarmee zijn elektronische en optische gedrag, met de rek verschuift.
Bandkloofafstelling in enkellaags molybdeensulfide (rond 2013). MoS₂ is een materiaal dat, net als grafeen, in lagen van één molecuul dik te maken is. Verschillende onderzoeksgroepen, onder meer aan Columbia University en de University of California, lieten zien dat het rekken van zo'n laag de bandkloof continu laat verschuiven, en zelfs het karakter van de bandkloof kan omschakelen. Dat maakt het materiaal interessant voor rek-gestuurde lichtdetectoren en leds.
Pseudomagnetische velden in gerekt grafeen (2010). Een team rond natuurkundige Michael Crommie aan de University of California, Berkeley, publiceerde in Science dat ongelijkmatig gerekt grafeen - een laag koolstofatomen van één atoom dik - zich voor de elektronen erin gedraagt alsof er een reusachtig magnetisch veld aanwezig is, tot boven de driehonderd tesla, veel sterker dan met echte magneten haalbaar in een laboratorium. Dit "pseudomagnetische veld" ontstaat puur door de mechanische vervorming van het kristalrooster.
Gerekte platinakatalysatoren voor brandstofcellen. Voor de zuurstofreductiereactie in waterstof-brandstofcellen wordt platina als katalysator gebruikt, wat kostbaar is. Onderzoeksgroepen, onder andere verbonden aan het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten, ontwikkelden kern-schil-nanodeeltjes waarbij een dun laagje platina onder rek staat doordat het om een kern van een ander metaal ligt. Die rek verandert hoe zuurstofmoleculen aan het oppervlak binden, wat de katalytische activiteit per gram platina flink kan verhogen.
Hoe ver is de techniek?
Het beeld is gemengd. Aan de ene kant is gerekt silicium, zoals hierboven beschreven, al twintig jaar gewone technologie in miljarden computerchips - een van de weinige rek-gebaseerde technieken die de stap van laboratorium naar massaproductie heeft gemaakt. Ook in de katalyse worden gerekte of kern-schil-nanodeeltjes inmiddels in onderzoeksfase getest voor commerciële brandstofcellen.
Aan de andere kant blijft het grootste deel van het veld - bandkloofafstelling in 2D-materialen, straintronica (elektronica die rek gebruikt in plaats van doping), rek-gestuurde katalyse op grote schaal, of het benutten van extreme elastische rek in diamant en andere harde materialen - overwegend experimenteel werk in laboratoria. Belangrijke obstakels zijn: de rek precies en gelijkmatig aanbrengen en vasthouden over grotere oppervlakken, materialen vinden die de gewenste rek langdurig verdragen zonder relaxatie of vermoeiing, en productiemethoden ontwikkelen die geschikt zijn voor opschaling naar industriële hoeveelheden in plaats van individuele nanodraadjes onder een microscoop.
Sinds het begin van de jaren 2010, toen het begrip "elastic strain engineering" als apart onderzoeksveld werd benoemd, groeit het aantal publicaties gestaag. Een veelgeciteerd overzichtsartikel van Yong Zhu, Ju Li en Subra Suresh in het tijdschrift MRS Bulletin (2014) bracht destijds voor het eerst het brede scala aan toepassingen - van elektronica tot katalyse - onder één noemer samen. Sindsdien is vooral de meetkunde en modellering van rek in 2D-materialen en nanodraden verfijnd, maar een doorbraak naar grootschalige industriële toepassing buiten de chipindustrie heeft nog niet plaatsgevonden.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is verspreid over universiteiten en enkele nationale laboratoria, met geen enkele dominante commerciële partij - op de chipindustrie na, waar bedrijven als Intel, Samsung en TSMC gerekt silicium al routinematig toepassen in transistorontwerp. In het meer fundamentele onderzoek naar elastische rekvormgeving lopen onder meer het Massachusetts Institute of Technology (de groep van materiaalkundige Ju Li), North Carolina State University (Yong Zhu) en de City University of Hong Kong voorop. Ook Chinese universiteiten, waaronder Xi'an Jiaotong University, zijn actief op het gebied van mechanica van nanomaterialen.
Op het gebied van 2D-materialen en straintronica dragen groepen aan onder meer Columbia University, de University of California (Berkeley) en verschillende Europese instituten bij, terwijl onderzoek naar gerekte katalysatoren voor brandstofcellen en batterijen mede wordt gedreven door het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten en diverse Europese technische universiteiten. Nationale financiers zoals de Amerikaanse National Science Foundation en Chinese wetenschapsfondsen hebben het onderwerp de afgelopen jaren als speerpunt in materiaalonderzoek benoemd, maar een gecoördineerd internationaal programma specifiek gericht op elastische rekvormgeving bestaat niet; het blijft vooral verspreid academisch onderzoek.