Zet warmte om in elektriciteit met grafeenlinten

By | January 28, 2024

Het baanbrekende werk van Mickael Perrin op het gebied van de kwantumelektronica richt zich op het opwekken van elektriciteit met minimale verliezen en het verbeteren van de energie-efficiëntie in de elektronica door baanbrekende toepassingen van grafeen-nanolinten. Zijn onderzoek, dat is erkend met prestigieuze prijzen, heeft tot doel een revolutie teweeg te brengen in de praktische toepassing van kwantumtechnologieën. Fotocredit: SciTechDaily.com

De kwantumfysicus Mickael Perrin gebruikte Mickael Perrin

Mickael Perrin. Fotocredit: SNF

Erken excellentie

De kwaliteit van Perrins onderzoek en de potentie ervan voor toekomstige toepassingen leverden hem vorig jaar twee prijzen op: hij ontving niet alleen een van de ERC Starting Grants, waar jonge onderzoekers zo naar op zoek zijn, maar ook een Eccellenza Professorial Fellowship van de Swiss National Science Foundation. (SNS). Tegenwoordig leidt hij een onderzoeksgroep van negen personen bij Empa en is hij assistent-professor kwantumelektronica aan de ETH Zürich.

Een reis door de natuurkunde

Perrin vertelt ons dat hij er nooit van uitging dat hij een natuurlijk talent voor wiskunde had. “Het was vooral nieuwsgierigheid die mij naar de natuurkunde trok. Ik wilde beter begrijpen hoe de wereld om ons heen werkt, en de natuurkunde biedt daarvoor uitstekende hulpmiddelen.” Na zijn afstuderen aan de middelbare school in Amsterdam begon hij in 2005 met de studie toegepaste natuurkunde aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft). Vanaf het begin was Perrin meer geïnteresseerd in concrete toepassingen dan in theorie.

Tijdens zijn studie bij Herre van der Zant, een pionier op het gebied van de kwantumelektronica, ervoer Perrin voor het eerst de fascinatie voor het ontwikkelen van kleine apparaatjes op micro- en nanoschaal. Hij realiseerde zich al snel de eindeloze mogelijkheden van moleculaire elektronica, omdat circuits totaal verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van de moleculen en materialen, en kunnen worden gebruikt als transistors, diodes of sensoren.

De uitdaging van nanotechnologie

Tijdens zijn promotieonderzoek bracht Perrin veel tijd door in de cleanroom van het Nanolab aan de TU Delft, voortdurend gehuld in een witte jumpsuit voor het hele lichaam om te voorkomen dat de miniatuurelektronica vervuild zou raken door haar of stofdeeltjes. De cleanroom leverde de technologische infrastructuur om machines te bouwen van enkele nanometers groot (ongeveer 10.000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar).

“Kortom: hoe kleiner de constructie die je wilt bouwen, hoe groter en duurder de machine die je daarvoor nodig hebt”, legt Perrin uit. Lithografiemachines worden bijvoorbeeld gebruikt om complexe minicircuits op microchips te structureren. “Nanofabricage en experimentele natuurkunde vereisen veel creativiteit en geduld, omdat er bijna altijd iets misgaat”, zegt Perrin. “Toch zijn het de vreemde en onverwachte resultaten die vaak het meest opwindend blijken te zijn.”

Grafeen – een wondermateriaal

Een jaar na het afronden van zijn proefschrift kreeg Perrin een baan bij Empa in het laboratorium van Michel Calame, een expert in de integratie van kwantummaterialen in nanodevices. Sindsdien woont Perrin, een Frans en Zwitsers staatsburger, in Dübendorf met zijn partner en twee dochters.

“Zwitserland was om verschillende redenen een goede keuze voor mij”, zegt hij. “De onderzoeksinfrastructuur is ongeëvenaard.” Empa, ETH Zürich en het IBM-onderzoekscentrum in Rüschlikon voorzien hem van alles wat hij nodig heeft om nanostructuren te produceren, evenals meetapparatuur om ze te testen.

“Ik ben ook een buitenmens. Ik hou van de bergen en ga vaak wandelen en skiën met mijn gezin.” Perrin is ook een fervent klimmer. Soms klimt hij wekenlang in afgelegen valleien, vaak in Frankrijk, het land van herkomst van zijn familie.

Bij Empa kreeg de jonge onderzoeker de vrijheid om verder te experimenteren met nanomaterialen. Eén bepaald materiaal trok al snel zijn bijzondere aandacht: grafeen nanolinten, een materiaal gemaakt van koolstofatomen dat zo dun is als de individuele atomen. Deze nanolinten worden met de hoogste precisie vervaardigd door de groep van Roman Fasel bij Empa. Perrin kon aantonen dat deze banden unieke eigenschappen hebben en kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan kwantumtechnologieën.

Tegelijkertijd begon hij intensief te werken aan de omzetting van warmte in elektrische energie. In 2018 werd daadwerkelijk bewezen dat kwantumeffecten kunnen worden gebruikt om thermische energie efficiënt om te zetten in elektriciteit.

Het probleem tot nu toe is dat deze wenselijke fysische eigenschappen alleen optreden bij zeer lage temperaturen – rond de 100 °C

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *