Piezoelektrische Anwendungen auf Glas

Entweder es ist durchsichtig oder es leitet Strom - beides geht nicht. Oder doch? Materialforscher am LIST arbeiten an der Antwort und ihrer Anwendung.

Das Phänomen der Piezoelektrizität hat Jens Kreisel, Leiter der Abteilung für Materialforschung am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), schnell erklärt: „Bei der Verformung eines Materials verschieben sich seine Atome“, sagt er. „Wenn dies durch elektrische Ladungen auf der Oberfläche messbar ist, nennt man es Piezoelektrizität.“ Die Umwandlung von mechanischen Druckreizen in elektrischen Strom klingt zunächst, als beschäftige man sich damit vor allem im Labor. Doch der piezoelektrische Effekt ist allgegenwärtig.

Die meisten Feuerzeuge beispielsweise funktionieren nach diesem Prinzip: Drückt man auf den Taster, wird mit Hilfe von Federkraft ein kleiner Stößel auf ein Kristall geschlagen, wodurch sich  die Struktur dieses Kristalls verformt. Die damit verbundene Verschiebung der Ladungsschwerpunkte des nach außen hin elektrisch neutralen Kristalls verursacht eine hohe Spannung, die schließlich zu einem Funken führt. Besonders viele Anwendungsbereiche finden sich auch in jedem modernen Auto. Das Auslösen des Airbags, das Hinweissignal zum Anschnallen oder aber die automatische Aktivierung der Scheibenwischer erfolgt über Sensoren, die häufig ebenfalls nach dem piezoelektrischen Prinzip funktionieren.

Suche nach Alternativen zu Blei

Das Problem ist aber, dass viele dieser Sensoren auf Blei-Basis arbeiten. Und da Blei umweltschädlich ist, suchen Forscher nach anderen chemischen Elementen und Strukturen, die über ähnliche Eigenschaften verfügen. Womit wir wieder im Labor wären. Und damit auch bei Jens Kreisel, dessen Team sich intensiv mit dieser Suche befasst.

„Was uns besonders interessiert, ist der Einsatz piezoelektrischer Materialen auf Glas“, erklärt Kreisel. Die große Herausforderung bestehe darin, piezoelektrische Materialen und transparente elektrische Kontakte auf Glas aufzubringen, sagt er. Hierbei soll der gesamte Stapel von Materialien durchsichtig bleiben. Er ließe sich so also elegant an unterschiedlichsten Orten einsetzen. „Ideal ist also eine Materialkombination, die sowohl komplett transparent ist als auch interessante elektrische Eigenschaften hat“, so Kreisel.

Wärme und Licht intelligent nutzen

Mit Hilfe eines speziellen Ink-Jet-Druckers können solche piezoelektrische Materialen auf Glas gedruckt werden. Dadurch lasse sich die Wertschöpfung von Glas enorm steigern, sagt der Materialforscher. „Und das ist allein deshalb schon interessant, weil Glas im täglichen Leben allgegenwärtig ist und zudem in Luxemburg viel Glas verarbeitet wird“, fügt er hinzu.

Neben dem piezoelektrischen Effekt beschäftigt sich das Forschungsteam aber auch mit elektrokalorischen Eigenschaften. Darunter versteht man eine Änderung der Temperatur bestimmter Materialen, durch das Anlegen eines elektrischen Feldes. Solche Ansätze stehen laut Kreisel auf der Wunschliste der Mikroelektronik-Industrie, die nach leiseren und platzsparenden Alternativen für eine effektive Kühlung der Computerchips sucht.

Ein anderes Feld, auf dem die Forschungseinrichtung tätig ist, befasst sich mit der allgemeinen Frage der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. „Wenn Licht auf funktionale Materialen fällt, stellt sich die Frage, wie es die Eigenschaften des Materials ändert und wie man dies nutzen kann“, sagt Kreisel.

Herausragende Wissenschaftler rekrutiert

Dass das Forschungsteam dabei nicht im Dunkeln tappt, sondern durchaus erfolgreich ist, belegen die zahlreichen wissenschaftlichen Publikationen, das erfolgreiche Einwerben von Drittmitteln, diverse Auszeichnungen sowie ein erstes Patent im Bereich der transparenten piezoelektrischen Anwendung.

Ermöglicht wird all das durch ein entsprechendes Budget. Fünf Millionen Euro stehen insbesondere aus dem so genannten Pearl-Programm des FNR zur Verfügung. Bei dem über fünf Jahre laufenden Programm geht es darum, den Aufbau von Forschungseinrichtungen in Luxemburg zu unterstützen, für die herausragende Wissenschaftler aus dem Ausland rekrutiert werden.

„Das Programm zielt also nicht darauf ab, lediglich ein Forschungsprojekt zu realisieren, sondern eine komplette Forschungsgruppe hochzuziehen“, sagt Kreisel. Anfang 2013 wurde das Team von ihm aus dem Stand heraus gegründet. Inzwischen sind fast 20 Wissenschaftler aus aller Welt mit an Bord. „Wir haben individuelles Headhunting betrieben, um wirklich die Besten zu bekommen“, sagt Kreisel. Manchmal genügt es, ein paar Atome in Bewegung zu setzten, um den gewünschten Effekt zu erreichen. In diesem Fall war es dann aber doch etwas mehr Arbeit.

Autor: Uwe Hentschel

Fotos: Uwe Hentschel