Energie uit een organisch elektronisch wasbord
zondag 12 december 2010
De energievoorziening voor logische circuits kun je halen uit een soort
asymmetrisch elektronisch wasbord dat je in het circuit integreert.
Door over het wasbord afwisselend spanning aan en uit te zetten, komt
in dat wasbord voldoende ladingstransport in één richting op gang om
de logische schakeling van de benodigde stroom te voorzien. Dat blijkt
uit experimenten van Erik Roeling, Martijn Kemerink en collega's bij de
Technische Universiteit Eindhoven. Voor hun experimenten gebruikten ze
een aangepaste organische veldeffect-transistor. Die werkt bij
kamertemperatuur en levert ordes van grootte meer stroom op dan eerdere
experimentele devices in gewone halfgeleiders. De onderzoekers
publiceren hun bevindingen in een Advance Online Publication van Nature
Materials die op 12 december 2010 verschijnt. Toepassing lijkt op
termijn mogelijk in micro-elektronische schakelingen die weinig energie
nodig hebben, zoals identificatietags, chipimplantaten of sensoren.
Als je een vloeistof met heel kleine deeltjes erin onder een microscoop
bekijkt, zie je dat de deeltjes willekeurig door de vloeistof bewegen.
Dat is de Brownse beweging, bekend bij elke scholier met een
bètapakket. De beweging ontstaat doordat moleculen in de vloeistof,
die evenzeer willekeurig bewegen, van alle kanten tegen de deeltjes
botsen en ze nu eens hierheen en dan weer daarheen stoten. Zou je uit
die bewegingen op een of andere manier energie kunnen halen? Het is een
oude vraag die voor het eerst een eeuw geleden door de Poolse fysicus
Marian Smoluchowski werd geanalyseerd. In 1962 bedacht de beroemde
Amerikaanse fysicus Richard Feynman een denkbeeldig apparaatje om dit
te visualiseren. Hij stelde zich een schoepenrad voor, gekoppeld aan
een tandrad. Beide kunnen wrijvingsloos draaien en beide zijn zo klein
dat ze de bewegingsenergie van botsende deeltjes uit de omgeving (een
gas of een vloeistof) voelen. Daardoor kan het schoepenrad bewegen en
zo draait hij het tandrad mee. Op het tandrad zit echter een palletje
dat verhindert dat het tandrad achterwaarts draait. Het kan dus alleen
maar vooruit draaien. Dat dit onder speciale omstandigheden werkt
hebben onderzoekers in de groep van Simon Stevin Meester Detlef Lohse
in Twente met behulp van korreltjes laten zien:
http://stilton.tnw.utwente.nl/dryquicksand/ratchet/ratchet.html. Door
het palletje wordt willekeurige beweging omgezet in beweging één kant
uit. Je kunt het systeem dus (een beetje) arbeid laten verrichten.
In biologische systemen komt dit palrad- of ratelsysteem veel voor:
samentrekken van spieren en transport van ionen tussen en in cellen
blijkt door zoân gerichte beweging te worden gedreven. Kun je met dit
principe ook ladingen transporteren? Experimenten hebben laten zien dat
het kan, maar wel onder extreme omstandigheden: dicht bij het absolute
nulpunt en de opbrengst in termen van stroomsterktes en voltages is
miniem. Het Eindhovense onderzoek brengt daar nu verandering in.
De onderzoekers gebruiken voor hun experimenten een zogeheten
organische veldeffect-transistor. Daarin wordt de organische verbinding
pentaceen, die zich gedraagt als een halfgeleider, in een stroomkring
aangebracht. Onderdeel van die stroomkring zijn asymmetrisch
aangebrachte elektroden. Over het geheel bevinden zich ladingen
(zogeheten gaten; plaatsen waar een elektron zou kunnen zitten maar er
afwezig is). Als je nu spanning over de elektroden zet krijg je een
reeks asymmetrische potentialen. Het ziet er in gedachten uit als een
wasbord maar dan met een zich herhalend asymmetrisch patroon (zie de
figuur). Staat de spanning aan, dan bewegen ladingen zich naar de
verschillende potentiaallaagten. Schakel je de spanning uit, dan gaan
de deeltjes verschillende kanten uit bewegen. Zet je de spanning weer
aan, dan zoeken de deeltjes een potentiaallaagte op die voor hen uit
oogpunt van energie het meest gunstig is. Dat hoeft niet de
dichtstbijzijnde laagte te zijn. Omdat het potentiaalpatroon
asymmetrisch is, ontstaat er vanzelf netto een verplaatsing één kant
uit: een elektrische stroom! Wat je in wezen bereikt is dat je van een
wisselspanning een gelijkstroom maakt. Uit de metingen blijkt dat de
geproduceerde stroomsterktes en voltages ordes van grootte hoger zijn
dan bij eerdere experimenten en dat dit gebeurt bij kamertemperatuur.
Je kunt het wasbord dus gebruiken als een mini-gelijkstroombron. De
onderzoekers hebben hun wasbord opgenomen in logische circuits. In hun
opstelling blijkt het wasbord voldoende energie te leveren om het
circuit te laten werken. Daarmee hebben ze nu aangetoond dat het
principe werkt. Toepassing van dit systeem lijkt, aldus de
onderzoekers, mogelijk in micro-elektronische systemen die maar weinig
energie nodig hebben. Te denken valt aan identificatietags,
geïmplanteerde chips of sensoren. Overigens is voor het realiseren van
een daadwerkelijke toepassing nog substantieel verder onderzoek nodig.
Referentie:
Erik Roeling^1, Wijnand Germs^1, Barry Smalbrugge^2, Erik Jan Geluk^2,
Tjibbe de Vries^2, René Janssen^1 en Martijn Kemerink^1, Organic
electronic ratchets doing work, Advance Online Publication, Nature
Materials, 12 december 2010. DOI: 10.1038/NMAT2922.
^1 Faculteit Technische Natuurkunde, Technische Universiteit Eindhoven,
^2 Onderzoeksinstituut COBRA, Technische Universiteit Eindhoven
Dit onderzoek is gefinancierd door Technologiestichting STW, via een
VIDI-subsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk
Onderzoek (NWO). Erik Roeling en Wijnand Germs zijn STW-promovendi,
Martijn Kemerink heeft een NWO/STW-VIDI-subsidie.
Voor de redactie:
Meer informatie bij ir. Erik Roeling, e-mail e.m.roeling@tue.nl,
telefoon 040 â 247 4908 of dr.ir. Martijn Kemerink, e-mail
m.kemerink@tue.nl, telefoon 040 â 247 8321.
Het experiment schematisch weergegeven. In het laagje pentaceen
ontstaat een asymmetrisch patroon van potentiaallaagten. De bolletjes
geven positieve ladingen aan; bolletjes met dezelfde kleur zijn
begonnen in de zelfde potentiaallaagte.
Voor de video: 'Elektronen op een wasbord', zie:
http://www.youtube.com/watch?v=xExKoELgDXoÂ
Als u onze persberichten niet langer wilt ontvangen, stuur dan een
berichtje naar pr@stw.nl, met als onderwerp âgeen persberichten meerâ.
De missie van Technologiestichting STW is het realiseren van
kennisoverdracht tussen technische wetenschappen en gebruikers. Om dit
te bereiken brengt STW op elk project gebruikers en onderzoekers bij
elkaar en stimuleert zij excellent technisch-wetenschapÂpelijk
onderzoek. STW is bij uitstek een netwerkorganisatie. Het netwerk van
STW telt meer dan 1000 bedrijven, waarvan ongeveer 40% technisch
midden- en kleinbedrijf.
Technologie Stichting STW