Supergeleidende dunne keramische films milieuvriendelijk synthetiseren. Het is mogelijk met sol-gelchemie op waterbasis. Dat blijkt uit Gents onderzoek.

De chemische synthese van keramische materialen kan de toepassing van hogetemperatuursupergeleiders mogelijk nieuw leven inblazen. Deze supergeleiders geleiden al stroom zonder weerstand bij relatief hoge temperaturen van 90 K. Keramiek heeft echter als nadeel dat het intrinsiek bros is; een vervelende eigenschap voor het gebruik in stroomkabels en andere toepassingen. De slechte mechanische eigenschappen zijn te overwinnen als je het keramisch materiaal als dunne film aanbrengt op een buigzaam metaalsubstraat dat zich wél prima in lange kabels laat oprollen.

Zo’n dunne keramische film is over enkele jaren met het sol-gelproces flexibel, goedkoop en milieuvriendelijk te synthetiseren als het aan Bart Schoofs ligt. De Gentse promovendus uit de vakgroep Anorganische en Fysische Chemie won in april op het Vlaamse Jongerencongres van de Chemie (VJC8) de lezingprijs in de categorie ‘anorganische chemie’. Het sol-gelproces is een techniek die al langer bestaat. “Het idee is opgevist, omdat je er op een vrij eenvoudige en betaalbare manier dunne lagen mee kunt maken”, vertelt Schoofs.

Felle verbranding

Het proces begint simpel met het oplossen van metaalzouten in water in de juiste verhouding, om zo later de juiste stoichiometrie in je supergeleider te krijgen. Met complexerende organische liganden, zoals citroenzuur en triethanolamine, voorkomt de onderzoeker vervolgens dat er metaalzouten neerslaan. Zo ontstaat er een sol, een soort colloïdale oplossing van metaalcomplexen. Uitdampen levert een viskeuze, glasachtige gel waarin de metaalionen op moleculaire schaal homogeen verdeeld zijn. Die atomair homogene verdeling is belangrijk om een zeer zuiver eindproduct te maken.

Opwarmen tot een hoge temperatuur doet de rest. In een thermische behandeling verbranden de onderzoekers de organische liganden. Dit moet wel voorzichtig en gecontroleerd gebeuren. Een te felle verbranding is uit den boze. “Je moet alle exotherme reacties en de daarbij vrijkomende verbrandingsgassen goed in de hand houden om een dichte laag te maken die vrij is van poriën”, legt de Gentse onderzoeker uit.

Met microscopische analyses heeft Schoofs inmiddels kunnen aantonen dat de kristalkorrels in het keramiek netjes georiënteerd liggen. Om elektronen tijdens supergeleiding makkelijk van het ene naar het andere kristal te laten springen, mag de oriëntatie tussen de opeenvolgende kristalstructuren maximaal zeven graden verschillen. In zijn 500 nanometer dikke film was het verschil slechts 4 graden.

Het grootste probleem is nu nog om voldoende zuurstofmoleculen in de kristalstructuur te krijgen. NdBa₂Cu₃O₇ is namelijk supergeleidend, maar het bij hogere synthesetemperaturen stabielere kristal NdBa₂Cu₃O₆ niet. Schoofs: “Daarvoor willen we tijdens de thermische behandeling een hogere zuurstofdruk aanleggen of zuurstofgeleidende nanodeeltjes van ZrO₂ gebruiken. De hoop is dat superkleine deeltjes de supergeleiding niet zullen verstoren.”

Kopenhagen

De Gentenaren kiezen bij het sol-gelproces uit milieuoverwegingen bewust voor water als oplosmiddel. “Zo voldoen we aan de vereisten van de industrie. Onze chemische aanpak levert bovendien veel meer variatiemogelijkheden in vergelijking met fysische processen als laserdepositie en sputterdepositie, bijvoorbeeld door eenvoudige variatie van de pH en/of chemicaliën”, vertelt Schoofs. “De industrie volgt onze aanpak dan ook nauwgezet.”

In Kopenhagen draait inmiddels een van de eerste proefprojecten met supergeleidende keramische stroomkabels, gemaakt via een fysisch proces. Die kabels worden omhuld met een goed geïsoleerde buis met vloeibaar stikstof om de kabels te koelen. Schoofs denkt dat er ook in Vlaanderen vraag is naar supergeleidende keramieken, zowel voor magnetische toepassingen als voor transport van hoge stromen. Magneten van hogetemperatuursupergeleiders zijn bijvoorbeeld interessant voor NMR- en MRI-apparaten “Dan hoef je de magneten niet meer met vloeibaar helium te koelen tot 4 K, maar is koelen met stikstof tot 77 K genoeg. En stikstof is uiteraard veel goedkoper en gemakkelijker hanteerbaar dan helium.”