Nieuwe alchemisten toveren supermaterialen tevoorschijn

In de donkere middeleeuwse laboratoria probeerden alchemisten lood in goud te veranderen. Natuurkundigen zijn de nieuwe alchemisten, die onopvallende materialen opzienbarende eigenschappen geven. De baanbrekende experimenten van de moderne alchemisten kunnen onder andere zonnecellen 1000 keer zo dun maken.

In de donkere middeleeuwse laboratoria probeerden alchemisten lood in goud te veranderen. Natuurkundigen zijn de nieuwe alchemisten, die onopvallende materialen opzienbarende eigenschappen geven. De baanbrekende experimenten van de moderne alchemisten kunnen onder andere zonnecellen 1000 keer zo dun maken.

Het is 1669. De Duitser Hennig Brand kookt urine, die zijn buren voor hem hebben verzameld, in tot ze stroperig wordt en een roodachtige olie afgeeft. Hij verwijdert het zout en voegt de olie weer toe.

Brand verhit het mengsel, tot er plotseling lichtgevende dampen verschijnen en er een vreemde vloeistof uit de kolf druppelt.

Hij vangt de hete vloeistof op in een bak met koud water, waar het groenig licht geeft. Hij denkt dat hij een duizendjarig raadsel heeft opgelost – dat hij de zogeheten steen der wijzen heeft gevonden en nu elk metaal in goud kan veranderen.

Hennig Brand was een van de alchemisten. Met creatieve mengsels in borrelende kolven probeerde deze bonte groep mystici en protoscheikundigen de codes van de natuur te kraken en gewone materialen om te zetten in waardevolle stoffen.

Daarin slaagden de alchemisten niet. Ze wisten niets van de elementen en de moderne scheikunde. Maar veel van hun methoden werden door scheikundigen nog eeuwenlang gebruikt.

In 1669 dacht de Duitse alchemist Hennig Brand dat hij de steen der wijzen uit urine had geïsoleerd. Dat was niet het geval, maar zijn methode – distillatie – wordt tot op heden door chemici gebruikt.

© Joseph Wright Gallery

En nu staat er een nieuwe generatie alchemisten klaar: natuurkundigen.

Tegenwoordig worden methoden uit de natuurkunde gebruikt om ogenschijnlijk saaie stoffen als pyriet of het loodachtige metaal molybdeen te transformeren – en ze technologische superkrachten te geven.

Moderne alchemisten verwerpen dus een basisprincipe van de moderne chemie: dat elke stof vaste eigenschappen heeft die je in een boek kunt opzoeken. Binnenkort zijn er geen grenzen meer aan wat natuurkundigen kunnen creëren – van supergeleidende koolstofkabels tot telefoonladers die op lichaamswarmte werken en kwantumcomputers.

Materialen worden gemanipuleerd

De middeleeuwse alchemisten baseerden hun experimenten op de leer van Aristoteles: dat alles bestaat uit aarde, lucht, vuur en water. Ze probeerden stoffen te transformeren door de vermeende relatie tussen de vier elementen te veranderen.

In 1772 deed de Franse wetenschapper Antoine Lavoisier de alchemie op zijn grondvesten schudden.

Hij toonde aan dat water bestaat uit waterstof en zuurstof. De theorie van de vier basiselementen moest wijken voor een theorie van de elementen.

Daarna hebben scheikundigen de elementen in het periodiek systeem ondergebracht, en tot voor kort was dit dan ook hun domein.

Maar nu veranderen natuurkundigen de regels van het spel. Denys Bondar, natuurkundige aan de Tulane University in de VS, legt het uit: ‘Eeuwenlang probeerden alchemisten tevergeefs lood in goud te veranderen. Maar wat nu als we, in plaats van het ene materiaal in het andere te transformeren, lood zo gek kunnen krijgen om zich als goud te gedragen?’

Natuurkundigen manipuleren de materialen door elektronen hetzelfde te laten bewegen, voornamelijk via drie methoden: stroom, licht en twistronics: een speciale manier om de fysieke vorm van materie te manipuleren.

Chris Leighton van de universiteit van Minnesota is een van de nieuwe alchemisten. Zijn onderzoeksteam verandert de eigenschappen van materialen met behulp van elektriciteit.

De onderzoekers haalden eind vorig jaar de krantenkoppen toen ze experimenteerden met het mineraal pyriet, ook wel klatergoud genoemd – maar veel minder waard dan goud.

Wat nu als we, in plaats van het ene materiaal in het andere te transformeren, lood zo gek kunnen krijgen om zich als goud te gedragen? Denys Bondar, natuurkundige

Gewoonlijk is klatergoud niet magnetisch. De Amerikaanse natuurkundigen plaatsten elektroden op klatergoud, dompelden het onder in een metalen vat met een vloeistof die positief en negatief geladen deeltjes bevatte, ionen, en schakelden de stroom in.

Negatief geladen elektronen uit het elektrische circuit stroomden in het pyriet en hoopten zich op aan het oppervlak, terwijl positief geladen ionen in de vloeistof zich er net boven verzamelden.

De twee geordende lagen, negatief en positief, gaven het klatergoud spontaan magnetische eigenschappen.

Nooit eerder hebben natuurkundigen op deze manier magnetisme in een niet-magnetisch materiaal ‘aangezet’. Chris Leighton en collega’s bouwen nu druk voort op de resultaten van het experiment.

Hij vertelt Wetenschap in Beeld dat het team vooral naar klatergoud kijkt als mogelijk materiaal voor extreem dunne zonnecellen, omdat het 1000 keer zo veel zonlicht kan absorberen als silicium, waar zonnecellen nu meestal van zijn gemaakt.

Het mineraal pyriet, bekend als klatergoud, is niet magnetisch. Maar nu heeft een zwakke stroom het magnetisme ervan ‘aangezet’. De onderzoekers achter het experiment denken dat hun techniek kan worden toegepast in nieuwe zonnecellen die meer zonlicht opnemen en veel dunner zijn dan de huidige.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Kringloop van klatergoud

Wetenschappers voorzien een pyrietkristal van elektroden en dompelen het onder in een metalen vat met een ionische vloeistof: een soort vloeibaar zout dat bestaat uit positief en negatief geladen moleculen, ofwel ionen.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Stroom zorgt ervoor dat ionen zich ophopen

Natuurkundigen laten stroom lopen tussen het vat en het pyrietkristal, waardoor de positief geladen ionen in de vloeistof zich ophopen rond het pyriet. Als reactie hierop verzamelen negatief geladen elektronen zich in het pyriet, net onder het oppervlak.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Aan de oppervlakte ontstaat magnetisme

De twee lagen negatief en positief geladen ionen maken het pyriet magnetisch. Onderzoekers kunnen het magnetisme van het pyriet ‘aan- en uitzetten’ door de stroomsterkte te verhogen en te verlagen.

De beperkende factor tot dusver was dat klatergoud niet efficiënt genoeg is om al het geabsorbeerde zonlicht om te zetten in elektriciteit.

De doorbraak in Minnesota kan daar echter verandering in brengen. Omdat de onderzoekers nu weten dat ze de elektrische ladingen van klatergoud kunnen manipuleren met behulp van elektriciteit, is de weg vrij om het geleidende vermogen ervan te verfijnen, zodat het de rol kan overnemen in zonnecellen.

Laserlicht transformeert materialen

De moderne alchemie groeit explosief. En een van de meest veelbelovende nieuwe takken gaat over licht en zijn schijnbaar magische vermogen om stoffen te transformeren.

Natuurkundigen zijn zich er al lang van bewust dat licht atomen en moleculen kan beïnvloeden door bijvoorbeeld chemische verbindingen te verbreken.

We laten het ene materiaal zich gedragen als het andere door het met laser te stimuleren. Mark Rudner, natuurkundige

Nu hebben onderzoekers ontdekt dat pulsen van laserlicht met de juiste duur en golfvorm fundamentele eigenschappen kunnen veranderen, zoals stroomgeleiding. En elektronen zijn de sleutel.

Een atoom bestaat uit een kern met elektronen eromheen, en in vaste stoffen bepalen die elektronen veel eigenschappen ervan. In een metaal rangschikken de atomen zich in een kristalrooster, waarbij elk atoom een of twee van zijn buitenste elektronen uitzendt naar het kristal als geheel.

Deze elektronen kunnen vrij rondbewegen in het rooster, waardoor metalen elektriciteit goed geleiden en ze glanzend en ondoorzichtig zijn.

Als je de elektronen kunt aansturen, kun je de eigenschappen van de stof aansturen.

En hier komen de ultrakorte laserpulsen om de hoek kijken, want die kunnen de elektronen gecoördineerd laten bewegen, zodat ze ‘op de maat dansen’.

Het vermogen van het laserlicht om de elektronen te laten dansen, wordt vooral gebruikt bij het zoeken naar zogeheten supergeleidende materialen.

© Innogy

Een supergeleidend materiaal kan stroom zonder weerstand geleiden, zodat er onderweg geen stroom verloren gaat als warmte. Door weerstand in bijvoorbeeld kabels gaan er enorme hoeveelheden energie verloren, bijvoorbeeld als elektriciteit van een windmolenpark op zee aan wal moet worden gebracht en vervoerd naar huizen, appartementen, fabrieken, enzovoort.

In februari boekte een Europees onderzoeksteam onder leiding van de Italiaanse natuurkundeprofessor Andrea Cavalleri een baanbrekend resultaat. Natuurkundigen wereldwijd spitsten hun oren, omdat het de deur opent naar een toekomst met supergeleidende kabels. Ook luidt de methode een nieuw tijdperk in.

Tegenwoordig moeten alle materialen worden afgekoeld om supergeleidend te worden. Zo blijkt een kalium-koolstofmateriaal supergeleidend te kunnen zijn bij -253 °C.

Maar met laserpulsen werden de elektronen bij een veel hogere temperatuur (-173 °C) in gecoördineerde trillingen gebracht, waardoor de stroom erdoorheen ging zonder onderweg energie te verliezen.

© M. Budden, MPSD

Laser maakt voetballen supergeleidend

Dankzij laserlicht hebben onderzoekers een koolstofmateriaal supergeleidend gemaakt, dus het geleidt elektriciteit zonder energieverlies, zoals bij normale kabels. Supergeleidende kabels kunnen stroom van bijvoorbeeld zonnecellen en windturbines snel en zonder verlies over de hele wereld verdelen.

Daarmee hopen de onderzoekers dat laserpulsen ons dichter bij hun droommateriaal kunnen brengen: een stof die supergeleidend is bij kamertemperatuur.

En alsof dat nog niet genoeg is, hebben natuurkundigen zichzelf al grotere – of liever kleinere – doelen gesteld: ze willen de vorm van materialen manipuleren op atomair niveau.

Licht wordt gestuurd met een twist

Het is misschien niet nodig om bekende materialen nieuwe eigenschappen te geven met stroom of laserlicht – wellicht kunnen die op heel andere manieren ontstaan.

Tegenwoordig kunnen natuurkundigen de fysieke vorm van de atomen en moleculen manipuleren.

De methode gaat terug tot 2004, toen de natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov een Nobelprijswinnend experiment uitvoerden waarin ze een atoomdun vlokje koolstofatomen isoleerden: het eerste tweedimensionale materiaal.

De ontdekking van de stof, grafeen, bracht een heel nieuw onderzoeksgebied voort dat zich toelegt op 2D-materialen.

En nu hebben de 2D-onderzoekers ontdekt dat materialen geheel nieuwe eigenschappen krijgen wanneer ze de atoomvlokken als bouwstenen gebruiken.

VIDEO: Natuurkundigen bouwen nieuwe materialen met atoomdunne ‘bouwstenen’

Natuurkundigen leggen de 2D-materialen in lagen dwars – ‘getwist’ – op elkaar, en noemen de methode daarom twistronics. Verschillende hoeken leveren andere eigenschappen op, wat in 2020 werd benut door een internationaal onderzoeksteam.

Een lichtflits verspreidt zich doorgaans in alle richtingen, net zoals golven in het water zich in steeds grotere cirkels voortplanten als je een steen in een meer gooit.

Maar nu kan het licht worden gestuurd. Toen de onderzoekers twee atoomlagen van de kristalstof molybdeentrioxide op elkaar legden, vormden de elektronen dunne kanaaltjes, die de lichtgolven volgden.

Normaal verspreidt het licht zich naar alle kanten, maar nu hebben wetenschappers het licht in een straal aangestuurd door twee atoomlagen van het kristal molybdeentrioxide dwars op elkaar te draaien. De techniek kan worden gebruikt in computers die licht gebruiken in plaats van stroom, en daarom sneller zijn en minder energie verbruiken.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Atoomvlokken worden scheef gestapeld

De onderzoekers stapelen twee vlokken van circa 100 nanometer dik van molybdeentrioxide, een stof voor het maken van roestvrij staal, op elkaar. Wanneer ze dwars op elkaar liggen, verandert de dubbele laag van eigenschappen.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Elektronen creëren kanaal

Als de twee lagen dwars op elkaar liggen, beïnvloeden de elektronen elkaar, waardoor er een soort kanaaltje ontstaat. Het kanaal kan licht ‘opvangen’ met een specifieke golflengte, die verandert in relatie tot de hoek tussen de lagen.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Lichtflits volgt het kanaal

Een piepkleine antenne zendt een flits infrarood licht uit. Normaal zou het licht alle kanten op gaan, maar het elektronenkanaal voorkomt dat het wordt verstrooid en richt het in een dunne straal.

De wetenschappers hopen dat hun fundamentele onderzoek kan leiden tot nieuwe lichttechnologie, zoals optische computers die licht gebruiken om gegevens op te slaan en berekeningen uit te voeren, en geen elektriciteit, waarbij in- en uitgeschakelde transistors de enen en nullen vormen: de digitale ‘taal’ van computers.

Licht gaat sneller aan en uit dan elektriciteit, en zelfs zonder energieverlies in de vorm van warmte. Nu geeft de stroom in computers nog veel warmte-energie af, waardoor ze gekoeld moeten worden. De datacentra op aarde gebruiken tot 500 terawattuur, ofwel 2 procent van het totale stroomverbruik in de wereld.

Lichtcomputers kunnen dus sneller en zuiniger worden dan de computers die we kennen.

En natuurkundigen stoppen niet bij de atoomvlokken die de weg vrij maken voor optische computers. Het volgende doel is om de vlokken in ketens te snijden, ofwel nanodraden. Daarin zijn elektronen mogelijk nog beter aan te sturen dan in vlokken.

© Niels Bohr Institutet

De nieuwe alchemisten begeven zich op de grens van wat nog te snappen valt: ze hebben nog niet het volledige theoretische begrip van wat er precies gebeurt als stoffen worden beïnvloed door stroom of laserlicht of zijn gevormd met twistronics.

Ze weten wel dat de dans van elektronen met kwantumfysica kan worden beschreven, maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan.

Wetenschap is altijd een wisselwerking tussen theorie en experimenten. De nieuwe alchemisten trekken de experimentele wereld in, terwijl de theorie ze probeert bij te houden. Elk experiment brengt ze iets dichter bij het begrip van hoe het kwantumfysische niveau werkt.

Zo openen ze de deur naar een nieuw tijdperk van kwantumalchemie, waarin elke stof in principe zo kan worden gemanipuleerd dat hij zich precies naar wens gedraagt – tot aan de grenzen van wat de kwantummechanica toestaat.