Spons of broccoli; Sproeipistool manipuleert structuur van keramiek

Keramiek kent vele toepassingen, maar het materiaal laat zich niet zomaar in elke gewenste structuur maken. Delftse chemici hebben een oplossing gevonden. Met een sproeipistool maken ze dunne films, broccoli's of sponzen.

KERAMISCHE materialen zijn sterk, licht en poreus. Bovendien blijven ze zichzelf onder de meest onvriendelijke omstandigheden, ze zijn chemisch inert. Daarom worden ze vaak gebruikt als dragermateriaal in katalysatoren - in een auto bijvoorbeeld. De uitlaatgassen van de moter worden blootgesteld aan reactieve metalen die in de talloze poriën van de keramische drager over een enorm oppervlak zijn uitgespreid.

Elke toepassing van keramiek vraagt weer om een andere, heel specifieke structuur van het materiaal. Soms is er bijvoorbeeld een massief stuk nodig als isolatiemateriaal. En daar ligt een probleem. Keramiek laat zich niet zomaar in elke gewenste structuur produceren. Prof. Joop Schoonman weet dat. Met zijn collega's van de vakgroep Toegepaste Inorganische Chemie van de Technische Universiteit Delft probeert hij al jaren een techniek te ontwikkelen waarmee ze elke gewenste morfologie van keramiek kunnen maken. Onlangs hebben ze een flinke stap gezet in die richting (Delft Outlook, febr. '97).

Het kwam voor de chemici als een verrassing dat de uitkomst zich in het naburige laboratorium voor deeltjestechnologie bleek te bevinden. Daar had dr. Jan Marijnissen een zogenaamde micro-atomizer gemaakt, een sproeier waarmee hij druppeltjes van minder dan een micron (een micron is een duizendste millimeter) over een oppervlak kon nevelen. Marijnissen voerde zijn proeven uit met een zoutoplossing. Aan keramiek had hij nog nooit gedacht.

Tijdens zijn experimenten ontdekte Marijnissen dat elektrostatische velden onontbeerlijk zijn voor zo'n sproeier. Zodra een vloeistof uit een dun buisje wordt gedrukt, vormt zich een bolvormig druppeltje aan de uitstroomopening. Dat is een direct gevolg van de oppervlaktespanning. Wanneer in de vloeistof een zout wordt opgelost, en er bovendien een elektrisch veld wordt aangelegd, komt er nóg een kracht in het spel. De positieve en negatieve ionen ondervinden in het veld tegengestelde krachten en zullen in de oplossing worden gescheiden. Deze 'elektrostatische druk' is tegengesteld aan de oppervlaktespanning.

Al in het midden van de jaren zestig toonde de Engelse fysicus Taylor aan dat onder bepaalde omstandigheden in plaats van een bolletje een scherpe vloeistofkegel kan worden gevormd. Aan de punt daarvan is het veld zo sterk dat daar voortdurend een stroom van minuscule geladen druppeltjes van tien micron (een micron is een duizendste millimeter) groot wordt uitgezonden. Omdat ze elkaar afstoten, agglomereren ze niet en blijven ze een dunne nevel vormen. Als het oplosmiddel tijdens de beweging al niet grotendeels verdampt, dan gebeurt dat zeker wanneer de druppeltjes een hete plaat raken. De meegelifte ionen worden daarop netjes gedeponeerd, en kunnen bij voldoende hoge temperaturen met de in de lucht aanwezige zuurstof reageren.

Voor de groep van Schoonman bleek de micro-atomizer een uitkomst. Via het sproeipistool vormden de chemici een dunne laag, die was opgebouwd uit kleine keramische bolletjes met verrassend uniforme afmetingen. Ze waren allemaal een paar honderd nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) groot. Afhankelijk van de precieze omstandigheden waaronder ze worden gevormd (temperatuur, elektrische veldsterkte, druppelgrootte), kan de structuur van zo'n keramische laag worden veranderd: van een bijna massieve film tot een broccoli-achtige structuren. Onlangs werden zelfs keramische sponzen gevormd.

Op dit moment wordt in Delft gewerkt aan vier verschillende toepassingen: zonnecellen, gassensoren, lithium-batterijen en vaste stof brandstofcellen. Die laatste zijn in feite kleine elektriciteitscentrales, waarin bij hoge temperaturen gassen als waterstof of methaan in een gecontroleerde 'verbrandingsreactie' direct in elektriciteit worden omgezet. De cel bestaat in principe uit twee elektrodes die zijn verbonden via een geleidend medium, de elektrolyt. Aan de anode wordt waterstof toegevoerd, terwijl de kathode wordt voorzien van zuurstof. Bij temperaturen van zo'n duizend graden verliest het waterstof zijn elektronen, die via een draadje naar de andere elektrode worden getransporteerd, waar het zuurstof ze opneemt. De keramische brandstofcellen worden laag voor laag uit hetzelfde keramiek opgebouwd, waarna de verschillende elementen worden gecreëerd door specifieke metalen aan te brengen, als titanium en terbium. Elke laag heeft weer andere structuureigenschappen. Zo moeten de elektrodes poreus zijn, terwijl de elektrolyt weliswaar uiterst dun, maar wel massief is. Omdat het geheel in feite uit hetzelfde basismateriaal is opgebouwd, zijn er geen problemen met spanningen ten gevolge van verschillen in uitzettingscoëfficiënten bij de gebruikte hoge temperaturen.

Een andere toepassing waar veel van verwacht wordt zijn de zonnecellen. In de standaarduitvoering wordt daar silicium voor gebruikt, maar dat is nog altijd erg duur. De prijs per kilowattuur ligt mede daarom voor zonne-energie nog veel hoger dan die voor andere elektriciteitsbronnen. Een paar jaar geleden leek de Zwitserse scheikundige Grätzel een oplossing te hebben gevonden. Zijn zonnecellen werkten namelijk met (goedkope) organische materialen. Zo bracht hij moleculen van het fotoactieve porfyrine aan op een ondergrond van titaniumdioxide (titania), het pigment uit witte verf. Wanneer het porfyrine met licht wordt beschenen, kan het een elektron afstaan, net als het chlorofyl dat in planten voor de fotosynthese zorgt en waar het veel van weg heeft. Het titania neemt dit elektron vervolgens op en voert het weg, waarmee een elektrische stroom wordt verkregen.

Tot nu toe werd het daarvoor in de vorm van kleine bolletjes aangebracht, om een zo groot mogelijk oppervlak te krijgen. Maar met behulp van de Delftse sproeitechniek moet het mogelijk zijn om veel luchtiger, poreuze titania te produceren, waardoor het fotogevoelige oppervlak nog meer wordt vergroot, wat de efficiëntie zeer ten goede zou komen. In het algemeen is het inwendig oppervlak van 'gesproeide' keramiek veel hoger dan met conventionele technieken bereikt kan worden. En dat is natuurlijk ook bijzonder gunstig voor toepassingen binnen de katalyse. Als het aan de Delftse onderzoekers ligt, rijden we dus straks allemaal op hun keramische katalysatoren.