Laat gesmolten bestanddelen van cement op de juiste manier afkoelen en ze geleiden elektriciteit ineens veel beter. Dankzij materiaalkundigen weten we nu waar die raadselachtige eigenschap vandaan komt. Volgens hetzelfde principe willen de onderzoekers nu ook andere isolerende materialen geleidend maken.

Bron: Wikimedia commons/D Sharon Pruitt & Mike Lehmann
Bron: Wikimedia commons/D Sharon Pruitt & Mike Lehmann

Met geavanceerde röntgenapparatuur onderzochten Finse, Japanse en Amerikaanse materiaalkundigen een geleidende vorm van mayeniet, een aluminium- en calciumhoudend bestanddeel van bepaalde soorten cement. Ingesloten in de moleculaire structuur van het mayeniet vonden ze daarbij losse elektronen. Net als in metalen kunnen die elektronen in mayeniet elektriciteit door de stof geleiden, stellen de materiaalkundigen in het vakblad PNAS.

De elektrische geleiding houdt materiaalkundigen al bezig sinds 2011. Toen ontdekten Japanse onderzoekers hoe ze geleidend mayeniet konden produceren. Eerst smolten ze een kleine hoeveelheid isolerend mayeniet tot een druppel met een doorsnee van drie millimeter. Vervolgens koelden ze de druppel weer af. Normaal gesproken zet contact met vaste oppervlakken de stof daarbij aan tot het vormen van een regelmatige moleculaire kristalstructuur. De Japanse onderzoekers hielden de druppel tijdens het koelen echter zwevend in een luchtstroom, zodat de stof op moleculair niveau een ongeordende brei met kleine holtes bleef. Ingesloten in die holtes zitten de losse elektronen die elektrische ladingen doorgeven.

De stille kinderen van de Concorde
LEES OOK
De stille kinderen van de Concorde

Hetzelfde principe werkt naar verwachting ook bij het geleidend maken van veel andere stoffen, zolang ze metaal- en zuurstofatomen bevatten. Dat stelt Jakko Akola, hoogleraar materiaalkunde aan de technische universiteit van het Finse Tampere en betrokken bij de ontdekking. ‘We begrijpen nu de rol van de verschillende elementen in het mayeniet. Calcium- en aluminiumionen vormen met zuurstof een kooistructuur waarin elektronen gevangen raken. We denken dat het op dezelfde manier kan werken met andere metaalatomen.’

De nieuwe geleiders die mede dankzij het onderzoek van Akola beschikbaar komen, kunnen bijvoorbeeld corrosiegevoelige metalen in consumentenelektronica vervangen of verwerkt worden in LCD-schermen. Verschillende Japanse bedrijven hebben daarom al patent aangevraagd op de productiemethode van het materiaal, stelt onderzoeker Chris Benmore. Vanuit het Argonne National Laboratory in de VS werkte hij mee aan het onderzoek. Benmore benadrukt echter dat de eerste apparaten met het  geleidende mayeniet nog even op zich laten wachten. ‘We hebben ons eerst geconcentreerd op het uitzoeken van de details van de geleiding en nog niet op praktische toepassingen. Bovendien weten we nog niet hoe gemakkelijk we het productieproces van de geleiders kunnen opschalen.’