Gemeenschappelijke interesse
De twee onderzoekers raakten aan de praat tijdens een Basis Kwalificatie Onderwijs (BKO) cursus aan de TU Delft: ‘De tweede module van deze cursus bestaat eruit dat alle deelnemers een mini-college geven over een onderwerp waarover ze ook aan studenten doceren. Zo maakte ik kennis met Muralis werk.’ Ook al werken Ghatkesar en Pecnik aan totaal verschillende onderwerpen en kijken ze naar technologische uitdagingen op verschillende lengteschalen, ze delen een gemeenschappelijke interesse: nanovloeistoffen, oftewel vloeistoffen vol met deeltjes met afmetingen op de nanometerschaal (een miljardste meter). ‘We kwamen erachter dat we bij het gebruik van dergelijke nanovloeistoffen tegen vergelijkbare uitdagingen aanlopen. Zo’n beetje op hetzelfde moment werd bekendgemaakt dat er cohesieprojecten ingediend konden worden.’

‘Ook al werken we aan totaal verschillende onderwerpen en kijken we naar technologische uitdagingen op verschillende lengteschalen, we lopen bij het gebruik van nanovloeistoffen tegen vergelijkbare uitdagingen aan.’

Hoge temperaturen, hoge drukken
Waar Pecnik nanovloeistoffen nodig heeft om de warmte van de zon op te vangen en op te slaan, laat Murali nanovloeistoffen door nauwe kanalen stromen om nanodeeltjes op een oppervlak te deponeren zoals een inkjetprinter dat doet. In beide gevallen zijn de temperatuur en druk hoger dan de referentiewaarden waarvoor het gedrag van de nanovloeistoffen volledig bekend is. ‘We wilden allebei meer weten over de eigenschappen van de vloeistoffen onder die omstandigheden, zoals hun viscositeit, thermische geleidbaarheid en warmtecapaciteit. Het cohesieproject maakte het mogelijk om fundamenteel onderzoek te doen. Tegelijk gaf het ons de gelegenheid om allebei onze ideeën door te ontwikkelen tot het proof of principle stadium.

‘Het cohesieproject maakte het mogelijk om fundamenteel onderzoek te doen en om allebei onze ideeën door te ontwikkelen tot het proof of principle stadium’

Contact tussen afdelingen
Pecnik: ‘In Dr. Mohammad Mehrali vonden we een postdoc met specifieke ervaring in het omgaan met nanovloeistoffen en het synthetiseren van nanodeeltjes voor energietoepassingen. Gedurende het project slaagde hij erin om de contacten te versterken tussen onze afdelingen én met onderzoekers uit andere disciplines aan de TU Delft.’ Het was niet makkelijk om de juiste apparatuur te vinden, aldus Ghatkesar, ‘maar Merali gaf het niet zomaar op.’

‘Onze postdoc slaagde erin om de contacten te versterken tussen onze afdelingen én met onderzoekers vanuit andere disciplines aan de TU Delft’

Volumetrische zonnewarmtecollector
Pecnik houdt zich bezig met het winnen van hernieuwbare energie uit zonnewarmte. Deze route is een aanvulling op het gebruik van zonnecellen om elektriciteit op te wekken. Zonlicht wordt gefocusseerd op een collector met daarin een vloeistof, die daardoor warmer wordt. Deze warmte wordt ofwel opgeslagen ofwel gebruikt, bijvoorbeeld om elektriciteit te genereren. In vergelijking met zonnecellen, waar slechts een smalle golflengteband wordt gebruikt, wordt warmte gegenereerd over het gehele spectrale bereik van het zonlicht. Het belangrijkste onderdeel van een systeem om zonne-energie te winnen, is de zonnecollector die de gefocusseerde zonnestraling absorbeert, het omzet in warmte en die doorgeeft aan een warmteoverdrachtvloeistof. Al ongeveer 10 jaar bekijken onderzoekers de mogelijkheid om een vloeistof vol nanodeeltjes te gebruiken voor dit doeleinde. Door hun kleine afmetingen zorgen nanodeeltjes voor een veel betere warmteoverdracht naar de vloeistof eromheen. Nanodeeltjes in een vloeistof onder hoge druk kunnen de efficiëntie van de conversietechniek verdubbelen. ‘Het is een veelbelovende en goedkope optie vergeleken bij de huidige systemen,’ vat Pecnik samen.   

‘Het gebruik van nanodeeltjes in volumetrische zonnecollectoren is een veelbelovende en goedkope optie’

Grafeen
‘Als onderdeel van het cohesieproject hebben we ook het idee ontwikkeld om de nanodeeltjes te deponeren op een grafeenvel.’ Aangezien grafeen een uitstekende warmtegeleider is en zonlicht minimaal tegenhoudt, verbetert het de efficiënte van het warmtecollectieproces nog verder. ‘Alles bij elkaar hebben we de efficiëntie van de vermogenconversie vergroot van 30% (puur water) naar 77% (water plus grafeen plus nanodeeltjes), wat een significant resultaat is’.

Nanofabricage
Tegelijkertijd was Ghatkesar erop gebrand om een inkjetachtig printersysteem te realiseren dat in staat is om nanodeeltjes nauwkeurig op oppervlakken te deponeren. Scherpe naalden, bekend van de veelgebruikte experimentele techniek scanning-probe microscopie, worden geëtst totdat er een hol kanaal ontstaat, helemaal tot aan de punt van de naald. De holle naald kan met nanometerprecisie gepositioneerd worden. Als een nanovloeistof door het kanaal geperst en op een oppervlak gedeponeerd wordt, dan laat de bewegende naald een spoor van losse nanodeeltjes achter. De laatste stap is een thermische behandeling om de nanodeeltjes met elkaar te laten fuseren. Op deze manier wil Ghatkesar lijnen maken van micro- en nanometerafmetingen. Deze lijnen kunnen metallisch zijn, voor gebruik in micro-elektronica. Ze kunnen ook gemaakt worden van gefuseerde diamantdeeltjes, waarbij een grote mechanische duurzaamheid wordt gecombineerd met biologische en chemische sensorfunctionaliteit.

Een micro-nanoprinter voor op je bureau
Er hangt voor Ghatkesar veel af van dit cohesieproject. ‘Ik had het idee om micro/nanosystemen te printen al eerder voorgesteld maar miste toen tastbaar bewijs dat dit principe kan werken, waardoor ik geen subsidie ontving. Ondanks die tegenslag wilde ik het idee absoluut niet afschieten. Het cohesieproject geeft me de mogelijkheid om de eerste cruciale resultaten te verzamelen om zo een groter onderzoeksvoorstel geloofwaardiger te maken.’ Vooruitkijkend ontbreekt het Ghatkesar ook niet aan ambities. ‘Ik zou graag een betaalbare printer ontwikkelen waarmee je, gewoon op je bureau, microsystemen kunt maken, voor zowel elektronische als mechanische toepassingen.’ Nu is er voor de fabricage van deze kleine systemen nog energieslurpende complexe apparatuur nodig in een dure cleanroomomgeving, waar de hoeveelheid stof en de andere omstandigheden nauwkeurig beheerst worden om vervuiling van de microsystemen te voorkomen. Voor veel gebruikers is dit niet te betalen. Een inkjetachtige printer zou deze productiecapaciteiten toegankelijk maken voor een veel bredere groep gebruikers.’

‘Ik zou graag een betaalbare printer ontwikkelen waarmee je, gewoon op je bureau, microsystemen kunt maken, voor zowel elektronische als mechanische toepassingen’