Naar de content

Van kampvuur tot ledlamp

Hoogleraar Andries Meijerink onderzoekt de nieuwe generatie lichtgevende materialen

Wikimedia Commons, Akimbomidget via CC BY-SA 2.5

Een hele reeks aan lichtgevende materialen zetten ons dagelijks leven letterlijk in de spotlights. Maar deze materialen kunnen nog een stuk efficiënter, zegt hoogleraar Andries Meijerink. Met zijn onderzoek hoopt hij ook nieuwe materialen te vinden die ons leven wellicht nog makkelijker maken.

1 november 2019

Zonder het bestaan van lichtgevende materialen zou onze wereld een stuk donkerder en onpraktischer zijn. Deze materialen gebruiken we niet alleen in ledlampen en tl-buizen om onze huizen en straten te verlichten, we hebben ze ook nodig om in het ziekenhuis een röntgenfoto te maken.
Veelzijdige stofjes dus, en als het aan hoogleraar vaste stof chemie Andries Meijerink ligt, komen er nog veel nieuwe toepassingen bij.

Hoe werken lichtgevende materialen?

Om Meijerinks onderzoek te begrijpen moeten we eerst kijken waarom sommige materialen licht uitzenden. Dit kan verschillende redenen hebben, maar het heeft vrijwel altijd te maken met de energieniveaus van scheikundige elementen. Als je lichtdeeltjes – fotonen – met veel energie op een element afvuurt kun je dat element naar een hoger energieniveau brengen (exciteren). Het element heeft vervolgens meer energie en dat maakt het instabiel, dus die energie moet ergens heen. Om dit op te lossen komt de energie weer vrij in de vorm van een foton. Deze fotonen hebben een bepaalde golflengte, en soms valt deze golflengte binnen het zichtbare licht en zien wij dus een kleur.

“In de toekomst zullen lichtbronnen minder efficiënt worden, maar meer andere dingen kunnen”, zegt Andries Meijerink.

 Via Andries Meijerink, met toestemming

Meijerink probeert met zijn onderzoek aan de Universiteit Utrecht bestaande lichtbronnen te doorgronden en nieuwe materialen te ontwerpen. Voor zijn onderzoek ontving hij onlangs de KNAW Gilles Holst Medaille, een eerbetoon aan onderzoekers die op het grensgebied van de scheikunde en natuurkunde aan toepassingen werken. En dat terwijl Meijerink tijdens zijn studie scheikunde juist meer de biologische kant op wilde: “Ik vond het fascinerend om te zien hoe complex de natuur is en hoe goed alles in elkaar steekt. Helaas bleek het praktische werk tijdens mijn bijvak biochemie wat saai. Dus kwam ik uiteindelijk uit bij de meer natuurkundige kant en lichtgevende materialen.”

Wat maakt lichtgevende materialen zo interessant?

“Het is natuurlijk heel mooi dat je ze gewoon kan zien. Tijdens lezingen neem ik altijd wel een paar stofjes mee en een UV-lamp, en dat maakt het heel tastbaar. En daarnaast zijn ze gewoon heel belangrijk in ons dagelijks leven. Als je om je heen kijkt zie je allerlei apparaten die gebruikmaken van stoffen waar wij onderzoek naar doen. Ik vind het leuk dat ik nu weet hoe die apparaten werken, en ze misschien zelfs kan verbeteren.”

Voor die verbeteringen ontwerpt u zelfs uw eigen lichtgevende materialen. Hoe doet u dat?

“Voor zo’n ontwerp werken wij meestal met lanthaniden – een groep van elementen die heel efficiënt licht uitzenden. Deze groep van veertien elementen is veelzijdig: ze hebben allemaal unieke energieniveaus waardoor ze veel verschillende kleuren kunnen uitzenden. Wij kijken simpelweg naar de energieniveaus en bepalen wat wij nodig hebben voor ons materiaal. Vervolgens maken we een kristal dat is opgebouwd uit een gelijkmatig rooster van gelijk verdeelde atomen. Om een lichtgevend materiaal te creëren vervangen we een paar procent van de atomen in het kristal met onze ionen. Dat gaat heel precies, want als je te veel ionen in het rooster stopt beïnvloeden ze elkaar en krijg je minder licht. En het oppervlak van het kristal moet perfect zijn, want als er defecten op zitten kunnen die de fotonen kapen en het licht uitdoven.”

Zelfs in eurobiljetten zit een lichtgevend element: Europium.

 Pixabay.com, jojooff via CC0 Creative Commons

Wat kunnen we allemaal met deze materialen?

“De bekendste toepassing is natuurlijk de ledlamp, de light emitting diode. Deze lamp gaat ontzettend lang mee, en de stroom wordt in de led heel efficiënt omgezet in blauw licht. Met een lichtgevend materiaal (fosfor) wordt een deel van het blauwe licht omgezet in rood en geel licht, en samen maakt dit wit. Wij hebben onder andere meegewerkt aan het optimaliseren van het gele licht. Het rode licht willen we ook nog optimaliseren, want die omzetting werkt nog niet zo efficiënt. Maar daarnaast zie je dit soort materialen ook veel in het ziekenhuis, onder andere in CT-scanners, PET-scanners en bij röntgenfoto’s. En zelfs in je eurobiljetten vind je lichtgevende materialen met het lanthanide Europium.”

“We kijken natuurlijk ook naar heel nieuwe toepassingen. Zo willen we de efficiëntie van zonnecellen verhogen door te zorgen dat ze al het licht van de zon kunnen gebruiken. Nu absorberen zonnecellen maar een deel van de fotonen. Wij willen de fotonen met een te hoge energie opknippen in twee delen en fotonen met een te lage energie aan elkaar plakken. Dat knippen en plakken is in het lab al wel gelukt, maar nog niet op zo’n manier dat we zonlicht direct efficiënt om kunnen zetten.”

Richt uw onderzoek zich alleen op toepassingen?

“Natuurlijk doe ik vooral veel aan fundamenteel onderzoek, ik zit niet voor niets bij een universiteit. Daar ben je toch gericht op begrijpen hoe de natuur in elkaar zit. Maar ik merk dat ik ideeën voor fundamenteel onderzoek krijg door vragen vanuit bedrijven. Die kunnen me prikkelen om de theorie achter een vraag te ontdekken en zo weer nieuwe fundamentele inzichten te krijgen. Zo heb ik ooit samen met een collega van Philips, Cees Ronda, ontdekt waarom het oude beeld bij CT-scanners soms blijft hangen en het nieuwe beeld verstoort. Dit bleek aan de aanwezigheid van één element in de lichtgevende materialen van de CT-scanner te liggen. Dat vond ik heel interessant, maar het hielp Philips ook om betere CT-scanners te maken.”

Wat is nog de grootste uitdaging die u op wilt lossen?

“Op fundamenteel gebied zou ik graag beter de energieniveaus kunnen berekenen die bepalen welk licht een element gaat uitzenden en hoe snel dit licht bij temperatuurverhoging weer dooft. Voor toepassingen is dat enorm belangrijk, zeker in ledlampen die heel heet worden van binnen. We weten al wel een beetje hoe dit gaat en hebben wel modellen die het een en ander voorspellen, maar meestal moeten we het maar gewoon uitproberen. En het zou ook heel fijn zijn om precies te weten welke defecten ons licht uitdoven en deze defecten echt te kunnen zien. Nu zien we vaak dat ons kristal een defect heeft, maar wat voor defect dat precies is en hoe we het kunnen voorkomen is nog compleet onduidelijk.”

“Als het gaat om uitdagingen rondom de toepassingen is de grote vraag wat er na de ledlamp komt. Die techniek is zo efficiënt dat ik me afvraag of het nog verbeterd kan worden. Maar door de jaren heen dachten mensen dat wel vaker, en er komt toch steeds weer wat nieuws. We zijn inmiddels van kampvuur naar ledlamp gegaan, een ontzettende technologische sprong vooruit.”

“Ik verwacht eerlijk gezegd dat we in de toekomst minder efficiënte lichtbronnen krijgen die meer dingen kunnen. Zodra we genoeg duurzame energie opwekken om iedereen ruim van elektriciteit te voorzien, wordt efficiëntie minder belangrijk. Dan kunnen we een beeldscherm maken dat ook een lichtbron is, of een lamp die zich kan aanpassen aan de omstandigheden. We zullen in ieder geval altijd licht nodig blijven hebben, dus het lijkt onvermijdelijk dat de led zich verder ontwikkelt.”

ReactiesReageer