In al zijn eenvoud is het een bijzonder experiment en resultaat. Het plastic velletje ziet er met zijn bruinige kleur nogal gewoon uit. Maar schijn je er met een laserstraal doorheen, dan zie je aan de andere zijde een stippenpatroon ontstaan: het gevolg van de regelmatige smalle banden van kristallen die in het plastic zitten en die met het blote oog nauwelijks waarneembaar zijn.
Zoveel controle over het maken van een patroon voor elektronica is doorgaans alleen mogelijk met dure en complexe technieken zoals lithografie. Van Campenhout doet zijn onderzoek in de groep Self-organizing matter van Wim Noorduin en samen met Mechanical Materials groep van Martin van Hecke. Het doel is het vinden van eenvoudige, op de natuur gebaseerde manieren om dit soort componenten te maken. "In de natuur vind je overal regelmatige patronen, van de strepen van een zebra tot de patronen op een vlindervleugel. Wij willen gebruik maken van een zelforganiserende, biologisch geïnspireerde strategie om high-tech materialen te maken. Dit onderzoek is een goede stap in die richting."

Dippen in plaats van krimpen
De kristallen in het patroon (zilverchromaat of -dichromaat in dit geval) ontstaan door een chemische reactie tussen een stof in een gel (dat na het experiment opdroogt tot een vel plastic) en een stof in een oplossing die door diffusie in de gel trekt. Dat zich banden van kristallen vormen in dit zogeheten reactie-diffusieproces was al bekend. De onderzoekers publiceerden vorig jaar een artikel waarin ze lieten zien dat ze door de gel iets te laten krimpen zelfs een regelmatige bandenstructuur konden maken.
Die observatie zette ze aan het denken: kan het niet simpeler dan krimpen? "We zagen dat het vloeistofniveau en de plaats waar de reactie plaatsvindt in de gel door het krimpen op gelijke afstand van elkaar bleven. Dat zorgt voor de regelmatige bandenstructuur. Dat kunnen we mogelijk ook bereiken door de gel geleidelijk in de vloeistof te dompelen in plaats van de vloeistof door diffusie in de gel te laten trekken," legt Van Campenhout uit. Deze eenvoudige opzet werkte direct, tot groot plezier van Van Campenhout: "Dit is mijn favoriete soort onderzoek: niet teveel analyseren maar bedenken: kan het niet simpeler? En dat het dan ook werkt." Het proces kreeg de naam R-DIP: reaction-diffusion driven immersion-controlled patterning (het maken van patronen met een reactie-diffusieproces gecontroleerd door het dompelen in de oplossing).

Nog kleinere banden voor toepassingen
Het bleek al snel dat de afstand tussen de banden afhangt van de snelheid waarmee het vloeistofniveau stijgt. Hoe sneller je de gel in de vloeistof doopt, hoe dichter de banden op elkaar komen te liggen. Aanvankelijk was de afstand tussen de banden 200 micrometer (0,2 mm) met een variatie van slechts 6 micrometer. Momenteel is de kleinste bandafstand 7 micrometer. "Voor veel interessante toepassingen is het belangrijk dat de banden nog dichter bij elkaar komen te liggen, zo'n 0,2 micrometer of minder," zegt Van Campenhout. Het onderzoek concentreert zich de komende tijd op dat doel.
Van Campenhout liet verder zien dat de methode schaalbaar is: met een vel ter grootte van een A4'tje werkt het ook. "Dat suggereert dat het geschikt is voor roll-to-roll productie, een manier waarop nu al elektronica op grote schaal wordt gemaakt."
Een andere toepassing is een zeer gevoelige druksensor. Twee lagen parallel over elkaar heen geven namelijk een zogeheten Moiré-patroon, dat je ziet veranderen naarmate de lagen iets worden ingedrukt. "Je kunt op die manier met het blote oog al een verandering zien als de gel maar een heel klein beetje wordt ingedrukt," verklaart Van Campenhout.
De komende tijd gaat Van Campenhout uitzoeken of hij door middel van chemische modificaties de samenstelling van de banden kan veranderen zodat ze beter geschikt zijn voor toepassingen. Dat kan mogelijk met behulp van methoden die eerder in de groep van Noorduin werden ontwikkeld om calciumcarbonaat om te zetten in halfgeleiders. Tevens lijken de films erg op fotografische film. Daarbij gaat het ook om zilverzouten die voor de kleur en het contrast zorgen. "We onderzoeken of we de chemische kennis uit de fotografie kunnen gebruiken om films voor andere toepassingen te ontwikkelen."

Dit artikel is gepubliceerd op de AMOLF website op 2 augustus 2023.