Productie van materiaaleigenschappen: oneindige mogelijkheden

Jaap van Peperstraten

We zijn gewend om in allerlei vormen van coatings te denken. Echter, als het gaat om het maken van materialen met specifieke eigenschappen en functies op specifieke plekken, dan kan dat ook worden bereikt door op de gewenste plek atomen van diverse materialen te printen. In Delft werkt een bedrijf succesvol aan het vervolmaken van deze technologie. Hoog tijd voor een hernieuwde kennismaking.

Dit vakblad schreef al eerder over de geboorte van deze technologie, in augustus 2015, onder de titel: Materialen maken met de gewenste eigenschappen. In het kort werd in het artikel een technologie beschreven van het bedrijf VSParticle, waarbij via het genereren van vonkjes nanodeeltjes worden geproduceerd die resulteren in nieuwe materiaaleigenschappen. De input bestaat uit elektriciteit, elektroden en gas; de output uit schone nanodeeltjes en herbruikbaar gas. In het artikel werd tevens aangekondigd dat er een apparaat op de markt gebracht zou worden om praktijkonderzoek te doen voor allerlei specifieke toepassingen. Inmiddels is dat apparaat er, en de machine vindt gretig aftrek bij universiteiten en researchafdelingen van grote bedrijven in binnen- en buitenland. Met de machine kan ieder geleidend materiaal worden geproduceerd met deeltjes tot een grootte van 20 nanometer.

“De afgelopen jaren hebben we heel veel tijd en energie gestoken in het ontwikkelen van een volledig geïntegreerd proces, waarin één en dezelfde machine de deeltjes maakt, transporteert en direct kan printen op een substraat, bijvoorbeeld een aluminiumfolie, een glasplaat of op flexibele zachte substraten voor bijvoorbeeld medische toepassingen”, zo vertelt Aaike van Vugt, CEO van VSParticle. “Met onze nieuwe machine kunnen we zowel het materiaal veel beter gecontroleerd maken, als ook een heel breed scala aan verschillende materialen mengen op atoomniveau én het proces kan geautomatiseerd worden op waferniveau. Als je bijvoorbeeld praat over de productie van sensoren voor het meten van een specifieke gasstroom kun je nu heel snel miljoenen van die sensoren produceren.”

ONEINDIGE TABEL

Inmiddels staat de machine met bijbehorende accessoires bij de TU Delft en bij enkele andere universiteiten in Nederland, maar ook op researchafdelingen in Japan, Zuid-Korea, China, USA, Duitsland en diverse andere landen. De machines worden ingezet voor onderzoek naar bijvoorbeeld de nieuwe generatie batterijen, zonnepanelen, brandstofcellen, microsensoren, bio-elektronica, enzovoorts. In de regel gaat het om hightech complexe producten voor specifieke toepassingen. De bedoeling is om in 2019 een nieuwe machine op de markt te brengen, waarmee de deeltjes nog nauwkeuriger gemaakt kunnen worden, met nog meer controle tijdens het proces over de grootte van de deeltjes. Ook wordt er hardop gedacht over het ontwikkelen van systemen voor 3D-nanoprinten. In alle gevallen is de keuzevrijheid in materialen waarmee wordt gewerkt zeer groot. 

Aaike van Vugt: “Welke elektroden je kiest, is erg belangrijk voor de aard van de nanodeeltjes. De keuze is groot: van goud en platina tot meer complexe materialen, maar ook composieten. Op atomair niveau kun je met de grootte van een deeltje spelen. Als je de grootte van het deeltje verandert, veranderen ook de materiaaleigenschappen. Maar de mogelijkheden worden nóg groter als je die atomen gaat mengen met atomen van andere materialen, bijvoorbeeld tien goud- en tien platina-atomen, waaraan je twee zilveratomen toevoegt. Dan worden de eigenschappen weer een beetje anders. Als je gaat spelen met de grootte van de deeltjes en de elementaire samenstelling kun je een oneindige tabel maken met deeltjes met een bepaalde grootte en samenstelling, waarvan we nu nog niet precies weten wat de eigenschappen zijn.”

Aaike van Vugt met de VSParticle Generator One

Aaike van Vugt: “De technologie leent zich voor het maken van antibacteriële coatings en katalytisch-actieve coatings.”

EÉN MILJARD MACHINES

Hij vervolgt: “En dan kun je ook nog gaan spelen met de aard van de gascomposities, zoals oxides, hydriden en sulfiden. Via computerberekeningen zijn we nog niet eens in staat alle mogelijkheden te berekenen. We kunnen letterlijk putten uit oneindige mogelijkheden qua deeltjes met nieuwe eigenschappen die tot grote doorbraken kunnen leiden in verschillende toepassingen. In het artikel van augustus 2015 zei ik dat we toen misschien maar één procent van alle mogelijkheden kenden en nu denk ik dat dat nog steeds één procent is. Maar als ik er iets langer over nadenk, zou de voorlopige conclusie kunnen zijn dat ik over twee of drie jaar misschien zeg dat we niet één procent, maar 0,1 procent van alle mogelijkheden kennen. Dit komt doordat we met het doorontwikkelen van onze technologie steeds meer gaan beseffen wat er allemaal mogelijk is. Als we vandaag één miljard stuks van onze machine zouden produceren en de opdracht zouden geven nieuwe deeltjes te maken, dan blijven zelfs die miljard systemen oneindig lang doorgaan met het maken van nieuwe materialen.”

Het jaar 2019 zou wel eens een sleuteljaar kunnen worden in de ontwikkeling van VSParticle. De verwachting is dat het leveren van meerdere systemen aan onderzoekers wereldwijd een grote vlucht gaat nemen; dat de eerste publicaties over resultaten uit onderzoek dat samen met een aantal klanten wordt uitgevoerd het licht gaan zien; en dat grote stappen worden gezet richting de industriële markt wereldwijd. Om bedrijven tegemoet te komen, is het bedrijf ook begonnen met contractresearch. Deze tak faciliteert allerlei onderzoekstrajecten voor grote bedrijven, zodat deze gemakkelijk, ieder op zijn eigen manier, kunnen snuffelen aan de technologie. Die dienstverlening loopt uiteen van het maken van samples tot lange termijn ontwikkelingstrajecten van gecompliceerde hightech producten. Ook sluit het bedrijf niet uit dat het in korte tijd de nieuwe standaard kan neerzetten voor een groot deel van het nanotechnisch onderzoek richting praktijktoepassingen. “Dezelfde precisie die ASML toepast voor de productie van chips, passen wij toe voor het maken van structuren van materialen voor batterijen, brandstofcellen, sensoren, enzovoorts.”

MARKTEN

De deeltjes worden beschikbaar als een aerosol, waardoor het mogelijk is een geschikte depositiemethode te kiezen voor het betreffende substraat. Toepassingen zijn er onder meer in de markt van sensoren, bijvoorbeeld het printen van allerlei materialen op flexibele zachte substraten, zoals op contactlenzen, maar ook het printen van nanoporeuze materialen voor de halfgeleidersmarkt. Die materialen zijn heel erg poreus, hebben daarmee heel veel oppervlak, maar moeten op de juiste plek wel hun werk doen in bijvoorbeeld gassensoren – de chips waarop je dan het sensitieve nanoporeuze materiaal wilt hebben. Daarnaast wordt deze technologie ingezet in de gezondheidszorg, waar radioactieve nanodeeltjes worden gebruikt voor de bestrijding van tumoren die moeilijk operatief te verwijderen zijn. Verder worden er concrete toepassingen verwacht in de wereld van elektro-katalyse, waar veel vernieuwing plaatsvindt.

Aaike van Vugt: “We denken dat we daar met onze machines een flinke rol kunnen spelen, omdat daarmee steeds betere producten gemaakt kunnen worden. Niet alleen is onze machine verbeterd in het goed gecontroleerd en schaalbaar kunnen maken van de deeltjes, maar we hebben ook een wiskundig model ontwikkeld dat het hele proces beschrijft en dat we kunnen gebruiken om de gewenste eigenschappen op bepaalde plekken op bepaalde substraten te krijgen. Waar we naartoe willen, is dat je kunt zeggen: ik wil dit componentje in mijn product met die en die eigenschappen, omdat het die en die functie vervult. En dan kun je een kwantumcomputer laten berekenen hoe je het materiaal met de gewenste eigenschappen moet opbouwen, bijvoorbeeld met deeltjes bestaande uit 20 atomen koper, 15 atomen platina en twee zinkatomen. Dat is absoluut het doel dat we voor ogen hebben, maar dan zul je een heel sterke kwantumcomputer moeten combineren met onze machine.”

CSM printed on contact lens

CSM printed on contact lens.

HIGHTECH MACHINEBOUW

Bij dit alles geldt dat de bruikbaarheid van de technologie zo simpel en toegankelijk mogelijk moet zijn, zodat iedereen ermee aan de slag kan. Om die reden heeft VSParticle ook de contractresearch-tak opgericht, zodat bedrijven worden aangespoord er kennis mee te maken. Dat geldt natuurlijk ook voor bedrijven in onze branche. Welke mogelijkheden ziet Van Vugt voor oppervlaktetechnieken? Hij denkt allereerst aan antibacteriële coatings of aan katalytisch-actieve coatings die je bijvoorbeeld op de gevel van een gebouw toepast voor het zuiveren van lucht, zoals coatings die bepaalde schadelijke stoffen afbreken of CO2 uit de lucht filteren. En er zijn vast nog vele andere mogelijkheden. Tot slot stelt hij vast: “We moeten ook kijken naar de status van Nederland op de wereldmarkt als het gaat om de hightech machinebouw. Voor de supply chain van die markt is er in Nederland een enorm grote infrastructuur opgebouwd. Kijk bijvoorbeeld naar een bedrijf als ASML en hun toeleveranciers. Allemaal prima, maar in China gaan de ontwikkelingen in die richting nu ook heel snel. Het is belangrijk dat we ervoor zorgen dat Nederland wereldleider kan blijven op het gebied van complexe machinebouw voor de hightech maakindustrie.”

Reacties