Onderzoekers van de TU Delft hebben een methode ontdekt om kwantummaterialen op te rekken en te comprimeren met waterstofgas. Ze demonstreerden dit effect met behulp van een klein koordje van een materiaal genaamd wolfraamtrioxide, die fungeert als een spons voor waterstof. Het onderzoek is een veelbelovende nieuwe stap in de ontwikkeling van micromechanische resonatoren, die een breed scala aan mogelijke toepassingen hebben. Ze kunnen worden gebruikt in inkjetprinters, als sensoren voor omgevingscondities, en als actieve componenten in toekomstige nano-elektronica.

Kwantummaterialen behoren tot de meest veelbelovende bouwstenen voor slimme apparaten van de toekomst. Wat deze materialen speciaal maakt, is dat ze on-demand kunnen worden gecontroleerd door verschillende externe parameters, bijvoorbeeld door verwarming of koeling, door het gebruik van een elektrische stroom, of door mechanische druk uit te oefenen. De magnetische en elektronische eigenschappen van deze materialen kunnen vaak dynamisch worden gecontroleerd, leidend tot de ontwikkeling van cruciale componenten zoals geheugens en apparaten voor het oogsten van energie.

Een nieuwe controletool

Een beperking van kwantummaterialen is dat hun mechanische eigenschappen meestal alleen kunnen worden gecontroleerd door middel van statische methoden. Dit betekent dat zodra het apparaat is ontworpen en geproduceerd, de mechanische eigenschappen ervan kunnen niet worden gewijzigd. Onderzoekers Nicola Manca en Giordano Mattoni hebben dit probleem overwonnen door een nieuw hulpmiddel te gebruiken:waterstofgas.

De onderzoekers maakten gebruik van wolfraamtrioxide, een kristallijn materiaal dat gemakkelijk waterstof in zijn kristalrooster kan opnemen. "Tungsten trioxide absorbeert snel waterstofgas, ", zegt materiaalexpert Giordano Mattoni. "Dit zorgt voor een grote uitzetting van de kristalstructuur, vergelijkbaar met wat er gebeurt als je een droge spons in water legt." Het proces is volledig omkeerbaar en, weer als een spons, het materiaal verdrijft waterstof wanneer het wordt blootgesteld aan zuivere lucht. Dit maakt het mogelijk om de mechanische eigenschappen ervan te beheersen.

Micromechanische resonator

Met behulp van hoogwaardige materiaalsynthese en de geavanceerde nanofabricagefaciliteiten van de TU Delft, de onderzoekers maakten een dunne zwevende structuur van wolfraamtrioxide:een zogenaamde micromechanische resonator. De structuur vertoonde grote mechanische veranderingen na de absorptie van waterstofgas. "Het voelde alsof we een gitaarsnaar aan het stemmen waren, " zegt Nicola Manca, een expert op het gebied van micromechanische resonatoren. "Waterstofgas was in staat om de resonantiefrequentie van het materiaal met meer dan 500 procent te moduleren." De spanningsmodulatie was zo groot dat de geïnduceerde veranderingen met een gewone microscoop konden worden waargenomen. Hoe meer waterstof er in het materiaal ging, hoe meer het uitzette en kromde.

Kamertemperatuur

Een van de belangrijkste voordelen van deze techniek is dat deze bij kamertemperatuur kan worden gebruikt, in een gecontroleerde omgeving. Het is ook volledig omkeerbaar. Als een referentie, het verkrijgen van een vergelijkbare spanningsmodulatie met conventionele methoden en materialen, zoals thermische uitzetting in silicium, een temperatuurstijging van meer dan 1500 graden zou vereisen.

TU Delft heeft een lopende octrooiaanvraag op de interactie van H ₂ met WO ₃ en plant verder onderzoek in deze veelbelovende richting.