De stof indiumtinoxide (ITO) is doorzichtig én het geleidt elektriciteit. Deze bijzondere combinatie van eigenschappen maakt ITO een geschikt materiaal voor transparante elektroden in beeldschermen van telefoons, televisies en laptops, en ook in zonnecellen en organische leds worden dunne laagjes ITO als elektrodes gebruikt. De vraag naar indiumtinoxide neemt dan ook exponentieel toe, zegt prof.dr.ir. Paul van der Schoot, terwijl de wereldvoorraad van het zeldzame metaal indium net zo hard afneemt. “Als je heel optimistisch bent, hebben we nog voor tien jaar genoeg, maar je hoort ook al mensen uit de industrie beweren dat het over drie of vier jaar al mis gaat. Elke zichzelf respecterende elektronicafabrikant is daarom op zoek naar een vervangend materiaal.”

In samenwerking met de groep van polymeerchemicus prof.dr. Cor Koning doet theoretisch fysicus Van der Schoot ook al enkele jaren onderzoek naar een potentiële vervanger van ITO. Ze richten hun blik daarbij op koolstofnanobuisjes: langwerpige nanostructuren die ongeveer een miljoenste millimeter dik zijn, maar duizend tot honderdduizend keer zo lang kunnen worden. Deze nanobuisjes geleiden stroom, en de gedachte is dat je plastics geleidend kunt maken door er koolstofbuisjes aan toe te voegen. Als je op een slimme manier een klein percentage nanobuisjes bijmengt in een transparant plastic, blijft deze gewoon doorzichtig terwijl de buisjes er als het ware een geleidend netwerk in vormen.

Om ervoor te zorgen dat de nanobuisjes een mooi netwerk in het plastic vormen, mengen de onderzoekers ze met latexbolletjes van verschillende grootte. Vervolgens wordt daar het bindmiddel bijgevoegd - latexbolletjes van bijvoorbeeld polystyreen- die bij verwarming samenvloeien tot een film met daarin een geleidend netwerk van nanobuisjes. Daarbij vormen de latexbolletjes en nanobuisjes samen nog geen procent van de totale massa van de stof.

Een nadeel is echter dat de nanobuisjes van nature niet oplossen in water. Daarom moet je een zeepachtige stof toevoegen om de nanobuisjes te laten ‘oplossen’, vertelt Koning: “In eerdere experimenten mengden we de nanobuisjes met latexbolletjes en een gewone zeep. Helaas bleken de nanobuisjes in dat mengsel niet voldoende met elkaar in contact te komen voor de benodigde extreem goede geleiding. Daarom hebben we gezocht naar een geleidende zeep, commercieel verkrijgbaar als een waterige latex. Die geleidende latexdeeltjes vormen in de uiteindelijke nanocomposiet als het ware bruggetjes tussen de nanobuisjes waarover de elektronen doorgegeven worden.”

De geleidende zeep maakt het verschil: de geleiding neemt met bijna een factor honderd toe, waardoor het percentage nanobuisjes in het mengsel zo laag kan worden gehouden dat het geheel transparant blijft. Een dun laagje van dit plastic met nanobuisjes geleidt al goed genoeg voor toepassing als antistatische laag voor beeldschermen, of voor het afschermen van elektromagnetische straling. Voor gebruik als elektrodes zou de nieuwe film elektrische stroom echter nog minstens honderd keer beter moeten geleiden.

Volgens Koning is dat een kwestie van tijd. Of een kwestie van geld. “We hebben nu standaard verkrijgbare nanobuisjes gebruikt. In de praktijk is dat een mengsel van twee soorten buisjes: een derde geleidt de stroom ook echt goed, maar twee van de drie buisjes zijn halfgeleiders waar we eigenlijk niet zoveel aan hebben. Maar sinds kort is men in staat om die van elkaar te scheiden, zodat je ook honderd procent metallisch geleidende buisjes kunt kopen. Dat is nu nog erg duur, je betaalt zo duizend dollar voor een paar milligram; maar die prijs zal wel snel omlaag gaan.” Zouden ze alleen de metallisch geleidende nanobuisjes gebruiken, dan kunnen Koning en zijn collega’s daarmee nu al een materiaal produceren dat kan wedijveren met indiumtinoxide, zo is zijn verwachting.

Het nieuwe materiaal heeft nog een belangrijk voordeel boven ITO: het is milieuvriendelijk. Alle stoffen zijn op waterbasis en er komen geen zware materialen zoals tin bij kijken. Bovendien is de nieuwe transparante, geleidende film geschikt om flexibele beeldschermen mee te maken. Koning en Van der Schoot hebben er daarom veel vertrouwen in dat hun vinding op niet al te lange termijn een bruikbaar product oplevert. Het procédé is inmiddels gepatenteerd door het Dutch Polymer Institute, dat het onderzoek financierde.

De laatste stap laten ze echter aan anderen over. De onderzoekers zien het niet als hun taak om de vinding ook zelf op de markt te brengen. “Het is voor ons belangrijk dat we het door mijn voormalige promovenda Marie Claire Hermant ontwikkelde experimentele concept hebben bewezen en daarmee is voor ons ook de uitdaging weg”, vindt Koning. Bovendien heeft de samenwerking nu een publicatie opgeleverd in het topblad Nature Nanotechnology, waar het afgelopen zondag online verscheen. “Dat blad heeft een impactfactor van 26”, zegt Van der Schoot. “Vele male hoger dan welk tijdschrift voor natuurkunde of polymeerchemie dan ook. Dat betekent dat onze samenwerking niet alleen technologische belangrijk kan zijn, maar dat het ook wetenschappelijk interessant is. We begrijpen dankzij de berekeningen van mijn postdoc Andriy Kyrylyuk waanzinnig goed wat er gebeurt met de nanobuisjes en geleidende latexbolletjes. En dat in zo’n voor fysici ‘vies’ systeem. Dat is bijna akelig.”

Ook Koning beaamt volmondig het belang van het verbond dat de theoretisch fysici en polymeerchemici over de grenzen van de faculteiten heen hebben gesloten. “Dat is ontzettend vruchtbaar gebleken en we zijn ook nog lang niet klaar met deze samenwerking. ” Lachend: “Paul, ik moet je straks meteen nog even spreken!” (TJ)