Een materiaal dat niet alleen de sterkte van diamanten en grafeen evenaart, maar ook een treksterkte heeft die 10 keer groter is dan Kevlar, bekend van het gebruik in kogelvrije vesten.
Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft, onder leiding van assistent-professor Richard Norte, hebben een opmerkelijk nieuw materiaal onthuld dat van grote invloed kan zijn op de wereld van de materiaalwetenschap: amorf siliciumcarbide (a-SiC). Naast zijn uitzonderlijke sterkte vertoont dit materiaal mechanische eigenschappen die cruciaal zijn voor trillingsisolatie op een microchip. Amorf siliciumcarbide is daarom bijzonder geschikt voor het maken van ultragevoelige microchipsensoren.
De potentiële toepassingen zijn enorm. Van ultragevoelige microchipsensoren en geavanceerde zonnecellen tot baanbrekende technologieën voor ruimteonderzoek en DNA-sequentiebepaling. De voordelen van de sterkte van dit materiaal in combinatie met de schaalbaarheid maken het uitzonderlijk veelbelovend.
Tien middelgrote auto’s
"Om de cruciale eigenschap ’amorf’ beter te begrijpen, moet je bedenken dat de meeste materialen bestaan uit atomen die in een regelmatig patroon zijn gerangschikt, zoals een ingewikkeld gebouwde Lego-toren," legt Norte uit. "Dit worden ’kristallijne’ materialen genoemd, zoals bijvoorbeeld diamant. Daarin zijn koolstofatomen perfect uitgelijnd, wat bijdraagt aan de beroemde hardheid."
Amorfe materialen lijken echter op een willekeurig gestapelde set Lego, waar atomen geen consistente ordening hebben. Maar in tegenstelling tot wat je zou verwachten, leidt deze willekeur niet tot breekbaarheid. Sterker nog, amorf siliciumcarbide getuigt van kracht die voortkomt uit dergelijke willekeurigheid. De treksterkte van dit nieuwe materiaal is 10 GigaPascal (GPa). "Om te begrijpen wat dit betekent, stel je voor dat je een stuk duct tape probeert uit te rekken tot het breekt. Als je nu de trekspanning wilt simuleren die overeenkomt met 10 GPa, dan moet je ongeveer tien middelgrote auto’s tegen elkaar aan die strook hangen voordat het breekt," zegt Norte.
Nanostrings
De onderzoekers gebruikten een innovatieve methode om de treksterkte van dit materiaal te testen. In plaats van traditionele methoden die onnauwkeurigheden zouden kunnen introduceren door de manier waarop het materiaal is verankerd, wendden ze zich tot microchiptechnologie. Door de films van amorf siliciumcarbide op een siliciumsubstraat te kweken en op te hangen, maakten ze gebruik van de geometrie van de nanostrings om hoge trekkrachten op te wekken. Door veel van dergelijke structuren te maken met toenemende trekkrachten, observeerden ze nauwkeurig het breekpunt. Deze op een microchip gebaseerde benadering zorgt niet alleen voor een ongekende precisie, maar maakt ook de weg vrij voor toekomstige materiaaltests.
Waarom de focus op nanostrings? "Nanostrings zijn fundamentele bouwstenen, de basis die gebruikt kan worden om meer ingewikkelde hangende structuren te bouwen. Het aantonen van een hoge vloeigrens in een nanostring vertaalt zich naar het tonen van kracht in zijn meest elementaire vorm."
Van micro naar macro
En wat dit materiaal uiteindelijk onderscheidt, is de schaalbaarheid. Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, staat bekend om zijn indrukwekkende sterkte maar is moeilijk in grote hoeveelheden te produceren. Diamant, hoewel immens sterk, is zeldzaam in de natuur of kostbaar om te synthetiseren. Amorf siliciumcarbide daarentegen kan op waferschaal worden geproduceerd en biedt grote vellen van dit ongelooflijk robuuste materiaal.
"Met de opkomst van amorf siliciumcarbide staan we op de drempel van microchiponderzoek dat bol staat van de technologische mogelijkheden," concludeert Norte.
Lees meer over dit onderzoek in Advanced Materials.
Met de opkomst van amorf siliciumcarbide staan we aan de vooravond van microchiponderzoek dat bol staat van de technologische mogelijkheden.
Richard Norte
