Wiebe Wagemans (29) vertelt enthousiast over zijn promotieonderzoek: “Zo rond de tijd dat ik bij Koopmans afstudeerde, werd duidelijk dat de weerstand voor stroomgeleiding van deze plastics verandert als je ze blootstelt aan een magneetveld.” Een intrigerend fenomeen, vindt hij. “De weerstand kan wel tot wel tientallen procenten veranderen bij magneetvelden kleiner dan een koelkastmagneet. En dat ook nog eens gewoon bij kamertemperatuur. Van vrijwel alle materialen verandert de elektrische weerstand onder invloed van magneetvelden, maar dat is vaak pas bij heel sterke magneetvelden of extreem lage temperaturen.”

Dat dit magnetische effect, OMAR gedoopt (van ‘organic magnetoresistance’), optreedt onder zulke milde omstandigheden maakt het volgens Wagemans zeer bruikbaar voor toepassing in magneetsensoren. Het effect lijkt bovendien te bestaan bij alle geleidende plastics. “OMAR is zelfs gewoon zichtbaar in de bestaande OLED’s. Het lijkt erop dat je magnetische pennen kunt ontwikkelen waarmee je op OLED’s kunt schrijven, daarvoor hoef je de OLED niet eens van een extra laag te voorzien.” Je hebt ook geen heel bijzonder materiaal nodig, zegt Wagemans. Vrijwel elk plastic dat stroom geleidt, vertoont het OMAR-effect. “Het maakt niet uit of je plastics maakt uit lange polymeren, of dat je organische materialen maakt uit kleine moleculen. Alleen voor de sterkte van het effect maakt het wat uit of je bij wijze van spreken spaghetti of macaroni gebruikt.”

Magnetoresistance is een term die ook bekend is uit de reguliere elektronica. Zo werken afleeskoppen van moderne harddisks op basis van giant magnetoresistance (GMR), dat de ontdekkers in 2007 nog de Nobelprijs opleverde. Toch werkt OMAR heel anders dan zijn tegenhanger in metalen. Dat hangt samen met de manier waarop lading wordt getransporteerd in plastics, zegt Wagemans. “De elektronen zijn er minder vrij dan in metalen. Ze hoppen echt van een plek naar de volgende, waarna ze weer een tijdje stilzitten. Ze gaan 101 stappen naar voren en 100 terug. Daarbij bewegen ze zich als het ware door een soort berglandschap, waar ze over bergpaadjes moeten wandelen. Hierdoor komen de elektronen elkaar ook regelmatig tegen. Stel nu dat er een elektron in een kuil is beland en een ander elektron er langs wil, dan lukt dat alleen als de twee elektronen tegengestelde spin hebben.”

Spin is een eigenschap van elektronen die kan worden opgevat als een inwendig magneetje dat ontstaat doordat het elektron snel om zijn as ‘spint’. De richting van deze elektronspin bepaalt of het ‘vrije’ elektron het elektron in de kuil gemakkelijk kan passeren. “Twee elektronen die elkaar ontmoeten, hebben in de helft van de gevallen tegengestelde spin. Dan hebben ze geen last van elkaar. Zolang de spins echter in dezelfde richting staan, zitten ze vast.” Gelukkig gaan de spins draaien als ze worden blootgesteld aan kleine lokale magneetvelden, opgewekt door naburige waterstofatomen. Dan is het een kwestie van wachten totdat de spins een verschillende richting krijgen en het vrije elektron kan doorstromen. En die wachttijd bepaalt de elektrische weerstand van het materiaal.

Wagemans: “Omdat de magneetvelden van de omliggende waterstofatomen in willekeurige richting wijzen, komen de spins op een gegeven moment altijd in tegengestelde richting te staan. Behalve wanneer je een sterker extern magneetveld aanlegt; dan gaan alle elektronen daar op dezelfde manier omheen draaien en verandert de relatieve oriëntatie niet.” Met andere woorden: met een extern magneetveld blijven de elektronen in een impasse zitten, met een grotere elektrische weerstand als gevolg.

Wagemans stelde een eenvoudig model op waarin slechts het elektron in de kuil en de wachtende voorbijganger figureren. “Heel simpel, maar het bevat alle essentiële ingrediënten.” Daarnaast bracht hij veel tijd in het lab door, waar hij een gloveboxopstelling -een luchtdichte ruimte waar je van buitenaf met handschoenen bij kunt- bouwde voor de organische samples die hij maakte met hulp van de groep van prof.dr.ir. René Janssen, expert op organische zonnecellen en andere geleidende plastics. “Die samples zijn heel gevoelig voor water en zuurstof. Daarom heb ik de experimenten in de glovebox onder beschermende stikstofatmosfeer uitgevoerd.”

In de glovebox positioneerde Wagemans de samples tussen twee forse elektromagneten, waarmee hij de sterkte en frequentie van het magneetveld kon variëren. Hij ontwikkelde een extra gevoelige techniek om de invloed van de oriëntatie en frequentie van het externe magneetveld op de weerstand van het sample te kunnen meten. Hierdoor ontdekte Wagemans dat de spins niet alleen afhankelijk zijn de magneetvelden uit de omgeving, maar dat de elektronspins ook met elkaar ‘praten’, zoals hij het noemt.

Wagemans onderzocht ook of je geleidende plastics kunt gebruiken in GMR-sensoren. “In principe werkt dit zelfs beter met organisch materiaal dan met koper, omdat de spin van de elektronen beter behouden blijft in organische materialen. Dat blijkt te kloppen, maar je hebt nog wel last van de wisselwerking tussen de elektronspins onderling.”

Toch concludeert Wagemans dat het zeker mogelijk is om afleeskoppen en andere magnetische elementen van organische materialen te maken. “Je moet dat niet zien als concurrentie voor de huidige metalen GMR-systemen, maar het is voor de organische elektronica wel een belangrijke stap vooruit als je sensoren en ook geheugenelementen van plastic kunt maken.” (TJ)/.