Projektanslag

Nanotrådar kan lösa världens energiproblem

Nanotrådar kan förändra vår vardag i framtiden. De små halvledarstavarna spelar en viktig roll i nästa generations batterier, lysdioder och solceller. Forskare vid Lunds universitet har utvecklat en ny metod för framställning av nanotrådar, ett genombrott som möjliggör tillverkning i industriell skala.

Lars Samuelsson diskuterar med kollega framför dataskärm med nanotrådar

Under de senaste 20 åren har nanoteknik blivit en av forskningens frontlinjer. Nu kan man inte endast utforska, utan man börjar även kunna kontrollera materialegenskaper i denna för ögat osynliga värld. Det lägger grunden för ett nytt tekniksprång, som utan överdrift skulle kunna revolutionera livet på jorden.

Stora förhoppningar knyts exempelvis till halvledande nanotrådar, eller nanowires. De kan bland annat designas som hållbara lysdioder och skulle i framtiden kunna ersätta all världens glödlampor. Nanotrådar kan också bli en nyckelkomponent i högeffektiva solceller med en verkningsgrad på över 50 procent.

Data kan lagras i tusentals år

Andra tillämpningar är utveckling av nya datorminnen, som i teorin kan lagra information i tusentals år, och inom medicin, där man kan använda nanotrådar för att styra tillväxten av stamceller eller för att koppla samman nervceller med mekaniska proteser.

Men innan alla drömmar blir verklighet krävs en effektiv och billig metod som möjliggör masstillverkning av nanotrådar med perfekt kristallstruktur, enhetlig storlek och materialsammansättning. Forskare vid Lunds universitet har nu kommit långt på vägen, något som väckt uppmärksamhet världen över, berättar professor Lars Samuelson, chef för Nanometerkonsortiet vid Lunds universitet.

– Vi kallar metoden för aerotaxi och med den har vi lyckats åstadkomma kristallint perfekta nanotrådar i en exceptionellt snabb tillväxt, upp till tusen gånger snabbare än med tidigare metoder.

Började i Japan

Allt började på 1990-talet, då Lars Samuelson var gästforskare i Tokyo. En kollega på Hitachi hade lyckats ta fram supertunna trådar av halvledarmaterialet galliumarsenid med hjälp av små punkter av guld som startpunkt.

– Guldpartikeln styr tillväxten av en halvledarstav, en tunn tråd som vi då kallade quantumwire eller nanowire. Det är en kristallstruktur som är en monolitisk utväxt från galliumarseniden. Lustigt nog gjordes upptäckten egentligen av misstag.

Redan då insåg Lars Samuelson att det skulle gå att låta trådarna växa under kontrollerade former och på sikt använda dem som elektroniska komponenter.

Forskningen satte fart och år 2002 publicerades nästan samtidigt tre vetenskapliga artiklar från Lunds universitet, Berkeley och Harvard, som visade att det var möjligt att förändra den atomära sammansättningen och kombinera olika ämnen i en nanotråd.

Resultaten gav blodad tand och forskningen har sedan dess i hög grad handlat om hur man ska kunna effektivisera tillverkningen.

Växer i ugn

Den ursprungliga metoden genom epitaxi är långsam och dyr. Där använder man ett halvledarmaterial, till exempel galliumarsenid, som substrat och placerar guldpartiklar på det kristallina substratet.

– Men vi började fundera på om det verkligen var nödvändigt med substratet, säger Lars Samuelson.

Idén föddes att i stället låta guldpartiklarna och halvledarämnena sväva omkring fritt i aerosolfas med vätgas som bärargas. Alla ingredienser stoppades in i en ugn med en temperatur på cirka 400 grader Celsius. Och resultatet överträffade förväntningarna.

– I slutet på ugnen fick vi ut kristallina perfekta nanotrådar, som växt i rätt riktning och i en ny dynamisk hastighet. Det betyder så klart mycket att vi nu kan producera ett material med tusen gånger större tillväxthastighet, och det skulle kunna vara bas för en ny svensk materialindustri, säger Lars Samuelson.

Stöd till fördjupad forskning

Genom ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse får forskarna nu möjlighet att utforska metoden ytterligare. En utmaning är att förstå på atomär skala hur nanotråden byggs upp och växer i aerosolfasen. En annan utmaning handlar om att optimera betingelserna vid framställningen. Dessutom tar de fram unika bilder genom att använda transmissionselektronmikroskopi och röntgendiffraktion, för att följa tillväxten i realtid. Den första rapporten från denna helt nya forskning har just blivit accepterad för publicering i tidskriften Nature.

Dessutom ägnas tid åt tänkbara tillämpningar. Forskningen i Lund har redan utmynnat i företag: Sol Voltaics, som utvecklar solceller, och Glo, som utvecklar lysdioder. Lars Samuelson har en vision om att nanotrådar kan bidra till att lösa världens energiproblem, bland annat genom att spara energi.

– Ett av de mest återbetalande sätten att spara energi går ut på att byta glödlampor till supereffektiva lysdioder. Över 20 procent av energikonsumtionen går till belysning och kan man göra den en tiopotens mer effektiv, så kan man stänga ett antal kärnkraftverk, säger Lars Samuelson.

I den ena vågskålen energibesparande teknik, och i den andra skönjer man ultraeffektiva och billiga solceller, baserade på nanotrådar, med över 50 procents effektivitet.

– Personligen ser jag denna vision som något väldigt tilltalande, men de här två övergripande målen förutsätter mycket utmanande materialfysik, komponentfysik och nya spännande systemlösningar, dessutom i nära samarbete med företag, säger Lars Samuelson.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström