Jeffrey Grossman denkt dat we helemaal verkeerd naar steenkool hebben gekeken. In plaats van hem alleen maar in brand te steken, dus de moleculaire complexiteit van dit zeer gevarieerde materiaal negerend, hij zegt, we zouden de echte waarde van die diversiteit en complexe chemie moeten benutten. Steenkool zou de basis kunnen worden voor zonnepanelen, batterijen, of elektronische apparaten, zeggen hij en zijn onderzoeksteam.

Als eerste demonstratie van wat zij zien als een breed scala aan potentiële hightech toepassingen voor dit traditioneel lowtech materiaal, Vieze man, promovendus Brent Keller, en onderzoekswetenschapper Nicola Ferralis zijn erin geslaagd een eenvoudig elektrisch verwarmingsapparaat te maken dat kan worden gebruikt voor het ontdooien van autoruiten of vliegtuigvleugels, of als onderdeel van een biomedisch implantaat. Bij het ontwikkelen van deze eerste toepassing, ze hebben ook voor het eerst in detail de chemische, elektrisch, en optische eigenschappen van dunne films van vier verschillende soorten steenkool:antraciet, bruinkool, en twee bitumineuze types. Hun bevindingen zijn zojuist gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters .

"Als je naar steenkool kijkt als materiaal, en niet alleen als iets om te verbranden, de chemie is extreem rijk, " zegt Grossman, de Morton en Claire Goulder en Family Professor in Environmental Systems in de afdeling Materials Science and Engineering (DMSE). De vraag die hij wilde stellen is:"Kunnen we de rijkdom aan chemie in zaken als steenkool gebruiken om apparaten te maken met nuttige functionaliteit?" Het antwoord, hij zegt, is een volmondig ja.

Het blijkt, bijvoorbeeld, dat natuurlijk voorkomende steenkoolvariëteiten, zonder de zuivering of verfijning die nodig is om elektronische apparaten van silicium te maken, hebben een reeks elektrische geleidbaarheid die zeven ordes van grootte (tien miljoen keer) omvat. Dat betekent dat een bepaalde variëteit aan steenkool inherent de elektrische eigenschappen kan bieden die nodig zijn voor een bepaald onderdeel.

Een proces ontwerpen

Een deel van de uitdaging was uitzoeken hoe het materiaal te verwerken, zegt Grossman. Daarom, Keller ontwikkelde een reeks stappen om het materiaal tot een poeder te vermalen, zet het in oplossing, deponeer het vervolgens in dunne uniforme films op een substraat - een noodzakelijke stap bij het fabriceren van veel elektronische apparaten, van transistors tot fotovoltaïsche systemen.

Hoewel steenkool al eeuwenlang een van de meest gebruikte stoffen is door de mens, zijn bulk elektronische en optische eigenschappen waren nooit echt bestudeerd voor geavanceerde apparaten.

"Het materiaal is nog nooit op deze manier benaderd, " zegt Keller, die veel van het werk uitvoerde als onderdeel van zijn proefschrift in DMSE, "om erachter te komen wat de eigenschappen zijn, welke unieke kenmerken er kunnen zijn." Om dit te doen, ontwikkelde hij een methode om dunne films te maken, die vervolgens in detail kunnen worden getest en gebruikt voor de fabricage van apparaten.

Zelfs deze nieuwe, gedetailleerde karakterisering die ze hebben uitgevoerd is slechts het topje van een grote ijsberg, zegt het team. De vier geselecteerde variëteiten zijn slechts enkele van de honderden die er zijn, allemaal met waarschijnlijk significante verschillen. En het voorbereiden en testen van de monsters was, vanaf het begin, een ongebruikelijk proces voor materiaalwetenschappers. "Meestal willen we materialen helemaal zelf maken, zorgvuldig combineren van pure materialen in precieze verhoudingen, " zegt Ferralis, ook in DMSE. In dit geval, Hoewel, het proces omvat "het selecteren uit deze enorme bibliotheek van materialen, " allemaal met hun eigen verschillende variaties.

De complexiteit van de natuur gebruiken

Terwijl steenkool en andere fossiele brandstoffen al lang worden gebruikt als grondstof voor de chemische industrie, alles maken, van kunststoffen tot kleurstoffen en oplosmiddelen, traditioneel is het materiaal behandeld als andere soorten ruw erts:iets dat moet worden verfijnd tot zijn basisbestanddelen, atomen, of eenvoudige moleculen, die vervolgens opnieuw worden gecombineerd om het gewenste materiaal te maken. Door gebruik te maken van de chemie die de natuur ons heeft gegeven, zoals ze zijn, is een ongebruikelijke nieuwe benadering. En de onderzoekers ontdekten dat door simpelweg de temperatuur aan te passen waarop de steenkool wordt verwerkt, ze konden veel van de optische en elektrische eigenschappen van het materiaal precies op de gewenste waarden afstemmen.

Het eenvoudige verwarmingsapparaat dat het team als proof of principle heeft gemaakt, biedt een end-to-end demonstratie van het gebruik van het materiaal, van het malen van kolen, om het als een dunne film af te zetten en er een functioneel elektronisch apparaat van te maken. Nutsvoorzieningen, ze zeggen, de deuren worden geopend voor een breed scala aan mogelijke toepassingen door verder onderzoek.

Het grote potentiële voordeel van het nieuwe materiaal, Grossman zegt, zijn de lage kosten die voortvloeien uit het inherent goedkope basismateriaal, gecombineerd met eenvoudige oplossingsverwerking die lage fabricagekosten mogelijk maakt. Een groot deel van de kosten die gepaard gaan met silicium of grafeen van chipkwaliteit, bijvoorbeeld, zit in de zuivering van de materialen. Silicium, de grondstof voor siliciumchips, is goedkoop en overvloedig, maar de zeer verfijnde vorm die nodig is voor elektronica (meestal 99,999 procent puur of meer) is dat niet. Het gebruik van poederkool kan een aanzienlijk voordeel bieden voor vele soorten toepassingen, dankzij de afstembaarheid van zijn eigenschappen, zijn hoge geleidbaarheid, en zijn robuustheid en thermische stabiliteit.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.