Zelfhelende kristalholtes in dubbel perovskiet nanokristal

Van de Terminator tot het pak van Spiderman, zelfherstellende robots en apparaten zijn er in overvloed in sci-fi-films. In werkelijkheid vermindert slijtage echter de effectiviteit van elektronische apparaten totdat ze moeten worden vervangen. Wat is het gebarsten scherm van uw mobiele telefoon dat zichzelf ’s nachts herstelt, of de zonnepanelen die energie leveren aan satellieten die voortdurend de schade herstellen die is veroorzaakt door micro-meteorieten?

Het gebied van zelfherstellende materialen breidt zich snel uit, en wat vroeger sciencefiction was, kan binnenkort werkelijkheid worden, dankzij Technion-wetenschappers van het Israëlische Instituut voor Technologie die milieuvriendelijke halfgeleiders van nanokristallen ontwikkelden die in staat zijn tot zelfgenezing. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen, beschrijf het proces waarbij een groep materialen, dubbele perovskieten genaamd, zelfherstellende eigenschappen vertoont nadat ze zijn beschadigd door de straling van een elektronenstraal. De perovskieten, voor het eerst ontdekt in 1839, hebben onlangs de aandacht van wetenschappers getrokken vanwege unieke elektro-optische eigenschappen die ze zeer efficiënt maken in energieconversie, ondanks goedkope productie. Er is speciale aandacht besteed aan het gebruik van op lood gebaseerde perovskieten in zeer efficiënte zonnecellen.

De Technion onderzoeksgroep van professor Yehonadav Bekenstein van de Faculty of Material Sciences and Engineering en het Solid-State Institute van Technion zoekt naar groene alternatieven voor het giftige lood en engineering loodvrije perovskieten. Het team is gespecialiseerd in de synthese van kristallen op nanoschaal van nieuwe materialen. Door de samenstelling, vorm en grootte van de kristallen te regelen, veranderen ze de fysieke eigenschappen van het materiaal.

Nanokristallen zijn de kleinste materiaaldeeltjes die van nature stabiel blijven. Hun grootte maakt bepaalde eigenschappen meer uitgesproken en maakt onderzoeksbenaderingen mogelijk die onmogelijk zouden zijn op grotere kristallen, zoals beeldvorming met behulp van elektronenmicroscopie om te zien hoe atomen in de materialen bewegen. Dit was in feite de methode die de ontdekking van zelfherstel in de loodvrije perovskieten mogelijk maakte.

De perovskiet-nanodeeltjes werden geproduceerd in het laboratorium van prof. Bekenstein met behulp van een kort, eenvoudig proces waarbij het materiaal enkele minuten tot 100°C wordt verwarmd. Wanneer Ph.D. studenten Sasha Khalfin en Noam Veber de deeltjes onderzochten met een transmissie-elektronenmicroscoop, ontdekten het opwindende fenomeen. De hoogspanningselektronenbundel die door dit type microscoop wordt gebruikt, veroorzaakte fouten en gaten in de nanokristallen. De onderzoekers konden vervolgens onderzoeken hoe deze gaten interageren met het materiaal dat hen omringt en daarin bewegen en transformeren.

Ze zagen dat de gaten vrij binnen het nanokristal bewogen, maar vermeden de randen ervan. De onderzoekers ontwikkelden een code die tientallen video’s analyseerde die met de elektronenmicroscoop waren gemaakt om de bewegingsdynamiek in het kristal te begrijpen. Ze ontdekten dat er gaten werden gevormd op het oppervlak van de nanodeeltjes en vervolgens naar energetisch stabiele gebieden binnenin verhuisden. De reden voor de beweging van de gaten naar binnen werd verondersteld te zijn organische moleculen die het oppervlak van de nanokristallen bedekken. Toen deze organische moleculen eenmaal waren verwijderd, ontdekte de groep dat het kristal spontaan de gaten naar het oppervlak en naar buiten wierp, en terugkeerde naar zijn oorspronkelijke ongerepte structuur – met andere woorden, de korst herstelde zichzelf.

Deze ontdekking is een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van de processen waardoor perovskiet-nanodeeltjes zichzelf kunnen genezen, en maakt de weg vrij voor hun opname in zonnepanelen en andere elektronische apparaten.