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Nanowerkstoff aus Russland: Akkus bei technischen Geräten haben bald ausgedient

CC BY-SA 4.0 / Account124654 / Wikimedia Commons (cropped)Nanowerkstoff aus Russland: Akkus bei technischen Geräten haben bald ausgedient
Nanowerkstoff aus Russland: Akkus bei technischen Geräten haben bald ausgedient - SNA, 1920, 05.04.2021
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Ein einzigartiger Nanowerkstoff auf Silizium-Basis ist von Wissenschaftlern der Nationalen Technologischen Forschungsuniversität MISIS zusammen mit Kollegen aus der Russischen Akademie der Wissenschaften entwickelt worden.
Den Forschern zufolge soll damit die Entwicklung der Technologie zur Herstellung eines „Mikrokraftwerks“, das direkt in die Leiterplatte elektronischer Geräte installiert wird, beschleunigt werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift „Microporous and Mesoporous Materials“ veröffentlicht.
Strukturen aus porösem Silizium werden den Wissenschaftlern zufolge immer häufiger in der Mikroelektronik und Biomedizin eingesetzt. Ihre wichtige Eigenschaft: eine gleichmäßige Verteilung der Poren verschiedener Größe in dem Werkstoff – von Nanoporen auf der Oberfläche bis Makroporen am Rand.
In der Medizin fungieren Membranen aus porösem Silizium als Filter, zum Beispiel für die Hämodialyse. In mobilen elektronischen Geräten werden sie als Elektroden für Mikro-Kraftstoff-Elemente genutzt – aussichtsreiche Wasserstoff-Energiequellen, die in Leiterplatten integriert werden können.
Doch bei Kontakt mit Flüssigkeiten – Wasser bzw. schwach alkalischen Lösungen – zerlegt sich das nanoporöse Silizium schrittweise. Wissenschaftler der MISIS und des Instituts für Probleme der Mikroelektronik-Technologien entwickelten eine einmalige Methode, die die Eigenschaften der porösen Silizium-Membrane via Graphen-Beschichtung stark verbessern kann.
„Wir haben eine Methode zur Schaffung von mehrschichtigen Graphenschichten auf den Innerwänden der Poren in der gesamten Tiefe der Siliziumstruktur gefunden, die keine Analoga hat. Heute gibt es keine anderen Methoden zur Produktion von Elektroden für effiziente Mikrokraftstoff-Elemente. Solche Stromquellen können Geräte nicht nur lange mit Energiereserven speisen, sondern in Zukunft wahrscheinlich auch Akkus ersetzen“
Jekaterina Gostewa
Dozentin des Lehrstuhls Werkstoffkunde der Halbleiter und Dielektrikum der MISIS
Bei der Verarbeitung mit der neuen Methode sinkt bei Siliziumstrukturen der elektrische Oberflächenwiderstand um das Hundertfache und steigert maßgeblich die Nachhaltigkeit gegenüber schwach alkalischen Lösungen. Zudem wird dank der Bildung eines zusätzlichen Reliefs im Inneren die nutzbare Fläche um mehr als das Dreifache vergrößert. Den Wissenschaftlern zufolge erhöht dies die Eigenschaften des Mikro-Kraftstoff-Elements enorm und macht kostspielige Katalysatoren wesentlich langlebiger.
Für die Beschichtung sei eine chemische Gasphasenabscheidung aus Spiritusdämpfen genutzt worden, so die Urheber der Technologie. Die vorgeschlagene Methode soll sich durch die Nutzung einer „starken Druckdifferenz“ in der Arbeitskammer unterscheiden, wodurch sich das Graphen selbst in den Schichten mit geschlossenen Nanoporen absetzen könne.
Die neue Methode ist durch das Patent der Russischen Föderation Nr. 2731278 vom 1. September 2020 geschützt. Die Ergebnisse der Studie wurden auf der Messe “Archimed 2021” vorgestellt. In der Zukunft wollen die Wissenschaftler die Technologie für die industrielle Anwendung anpassen.
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