Nano-krijtjes: de atomaire wereld achter onze schermen en zonnepanelen

Heb je je ooit afgevraagd hoe de pixels van je televisie daadwerkelijk licht uitstralen? In de nieuwste beeldschermen bestaat elke pixel uit nanopartikels – piepkleine deeltjes, wel tienduizend keer smaller dan een haar - die rood, groen of blauw licht geven – de basiskleuren waaruit elk beeld wordt opgebouwd. Aan de Universiteit Antwerpen onderzoeken we de structuur van deze nanopartikels tot op het niveau van individuele atomen om hun prestaties verder te verbeteren.

Toen Alice in Alice in Wonderland in het konijnenhol viel, belandde ze in een wereld waar alles op wonderlijke wijze werkte. Hoe kleiner ze werd, hoe vreemder het gedrag van haar omgeving – zelfs het licht leek in nieuwe kleuren te schitteren. Ze was nog steeds op dezelfde plek, maar niets gedroeg zich zoals ze gewend was.

Zo voelt het om de nanoschaal te verkennen. Wanneer materialen worden verkleind tot slechts enkele miljardsten van een meter, veranderen hun eigenschappen drastisch. Goud, bijvoorbeeld, verliest zijn karakteristieke gele glans en straalt in plaats daarvan rood of paars licht uit. Dezelfde stof krijgt totaal nieuwe eigenschappen, enkel doordat ze kleiner is gemaakt.

De toepassingen van nanomaterialen reiken verder dan beeldschermen: ze spelen ook een grote rol in groene energie en het versnellen van chemische processen. Quantum dots zijn piepkleine halfgeleiderdeeltjes (materialen die elektriciteit geleiden na een externe stimulus) waarvan de grootte hun kleur en gedrag bepaalt. Hun potentieel is zelfs zo groot dat de wetenschappers die deze deeltjes ontdekten, in 2023 de Nobelprijs voor de Scheikunde in ontvangst mochten nemen.

Perovskiet-nanokristallen behoren tot deze fascinerende familie van halfgeleiders. Door zorgvuldig hun grootte en samenstelling aan te passen, kunnen wetenschappers ze elke denkbare kleur binnen het zichtbare spectrum laten uitstralen.

De afgelopen vijftien jaar hebben perovskieten bovendien een ware revolutie ontketend in het onderzoek naar zonne-energie. Zonnecellen op basis van deze materialen halen inmiddels rendementen boven de 20% — vergelijkbaar met klassieke siliciumcellen, die vandaag de basis vormen van de meeste zonnepanelen, maar dan tegen een veel lagere kostprijs. En omdat perovskieten in oplossing kunnen worden gesynthetiseerd, kun je ze gebruiken als een soort inkt: printbaar of spuitbaar op lichte, flexibele oppervlakken. Zo kunnen ze dienen als zonnecel die licht opvangt of als LED die zelf licht uitstraalt. Maar om hun volledige potentieel te benutten, moeten we eerst hun fundamentele structuur begrijpen.

Om deze materialen echt te begrijpen en te verbeteren, moeten we kijken naar hun bouwstenen: atomen. Met elektronenmicroscopie kunnen we inzoomen tot op atomaire schaal en de exacte ordening van atomen zichtbaar maken — een structuur die de optische eigenschappen en stabiliteit van de nanomaterialen bepaalt.

Traditionele elektronenmicroscopie kan wel enkel óf lichte óf zware elementen detecteren, maar niet beide tegelijk. Dat is problematisch bij het bestuderen van materialen zoals perovskiet-nanokristallen, die vaak zowel lichte elementen (zoals organische kationen) als zware elementen (zoals lood) bevatten.

Om dit te verhelpen, hebben we aan de Universiteit Antwerpen een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld. Met behulp van machine learning reconstrueren we de beelden zodanig dat lichte en zware elementen tegelijkertijd zichtbaar worden. Dankzij nieuwe directe elektrondetectoren — die zelfs individuele elektronen kunnen registreren — is deze methode bovendien gevoeliger dan eerdere technieken. Een bijkomend voordeel is dat we met een veel minder schadelijke elektronenbundel kunnen werken, waardoor de kwetsbare perovskietkristallen niet beschadigd raken, iets wat bij andere methoden vaak wel gebeurt.

Met deze aanpak kunnen we nu zelfs minuscule verschuivingen van lichte atomen waarnemen ten opzichte van hun verwachte posities. Zulke kleine bewegingen zijn cruciale aanwijzingen voor de stabiliteit van een materiaal doorheen de tijd. In de toekomst willen we nagaan hoe deze structuren veranderen onder verschillende omstandigheden, zoals vochtigheid, om beter te begrijpen hoe we degradatie kunnen voorkomen en zo de levensduur van apparaten kunnen verlengen.