Kovinsko-organska stekla so nova vrsta stekel, odkrita šele pred nekaj leti. Perovskiti pa so minerali, ki so se izkazali za učinkovite kandidate za izdelavo sončnih celic ali svetečih diod, a imajo veliko pomanjkljivost. In kaj če perovskite oblijemo z omenjenim steklom? Izoblikuje se material, uporaben pri izdelavi nove generacije svetečih diod LED in zaslonov pametnih telefonov, televizij in računalnikov. Pri študiji, objavljeni v prestižni znanstveni reviji Science, sta sodelovala tudi dr. Andraž Krajnc in prof. dr. Gregor Mali s Kemijskega inštituta.

Perovskiti, kot sta cezij-svinčev jodid in cezij-svinčev bromid, imajo izjemne optoelektronske lastnosti, a so žal nestabilni na zraku in vlagi, pojasnjuje Gregor Mali. »Že več let sodelujemo s kolegi z univerz v Queenslandu in Cambridgeu pri raziskavah kovinsko-organskih stekel. Tokrat nam je skupaj uspelo res lepo odkritje. Nanodelce perovskitov nam je namreč uspelo stabilizirati tako, da smo jih oblili s prej omenjenim steklom. V drugih raziskovalnih skupinah so že prej poskusili pripraviti kompozite s perovskiti, a ti niso bili tako stabilni. Naša raziskava je med drugim pokazala, da je ključ do stabilnosti in torej do dolgoročnega ohranjanja visoke aktivnosti perovskitov v zelo tesnem stiku med nanodelci in steklom.«

Oba omenjena materiala sta za znanstvenike zelo zanimiva in poteka vrsta raziskav, kje vse bi ju lahko koristno uporabili. Minerali perovskitov so namreč dostopen in poceni material, ki ga najdemo tudi v naravi, kovinsko-organska stekla pa so pripravljena v laboratoriju in so novost, odkrita šele pred šestimi leti.

»V gosti strukturi perovskitov so gradniki lahko različni. V našem primeru smo uporabili cezij, svinec in jod. Že do zdaj je bilo znano, da bi bili s temi gradniki pripravljeni perovskiti primerni za izdelavo sončnih celic in svetečih diod, če bi jih le stabilizirali, naredili odporne proti vplivom ozračja. Tako pa se žal pri običajnih delovnih razmerah pretvorijo v neaktivno obliko. Kovinsko-organska stekla so nova, četrta vrsta stekel, poleg anorganskih, organskih in kovinskih. So zelo zanimiva, ker lahko z izbiro različnih organskih ligandov spreminjamo njihove lastnosti in funkcije. Same kovinsko-organske materiale so še pred nekaj leti pripravljali le kot prah drobnih kristalčkov. Praškasto snov pa je vedno težko uporabljati v praksi. S steklom ni tako; lahko ga pripravimo v večjih kosih, tankih ali debelih, tudi oblikujemo ga lahko. Še ena dobra lastnost teh novih stekel je, da se talijo pri nižjih temperaturah kot anorganska stekla, zato je z njimi lažje pripravljati kompozitne materiale,« razlaga Andraž Krajnc.

Doda še, da so ta stekla sicer uporabna tudi za separacijo plinov, shranjevanje toplote, katalizo. »Možnosti je veliko, toda do preboja oziroma uporabe v industriji je še precej omejitvenih dejavnikov.«

Boljši zasloni, a počasi!

V študiji dobljeni kompozit je izkazal vsaj za dva reda velikosti intenzivnejšo fotoluminiscenco kot čisti perovskit. Uporabili bi ga lahko pri izdelavi televizijskih zaslonov s še večjo svetilnostjo in kontrastom ali pa denimo pri zasnovi stekel za zaslone mobilnih telefonov, ki bi bili občutno manj lomljivi.

»Ena od dobrih lastnosti kompozita je izredno velika svetilnost. Pri svetečih diodah in zaslonih takšna lastnost pomeni manjšo porabo elektrike,« pravi dr. Mali.

Dr. Krajnc dodaja, da lahko skoraj poljubno spreminjamo barvo svetlobe, ki jo ti materiali izsevajo: »Eden večjih problemov pri razvoju LED diod je bil, kako priti do bele svetlobe na podlagi diode, ki sveti modro. V primeru perovskitov pa imamo barvni razpon v celotnem območju vidne svetlobe in ga lahko prilagajamo s sestavo perovskita, natančneje s spreminjanjem deležev joda ali broma.«

A kot opozarjata sogovornika, znanstveniki v tej fazi težko odgovorijo na vprašanje, kdaj bomo imeli takšna stekla na telefonih. Od študije do dejanske uporabe je namreč treba prehoditi še dolgo pot, ki navadno ni tako enostavna, kot bi si želeli. Raziskovalce pogosto, morda celo bolj kot razmišljanje o uporabnosti nečesa, žene radovednost. Če so njihova odkritja uporabna, nato zgodbo prevzamejo in nadaljujejo v industriji. »Študije prerovskitov so denimo delali že pred dvajsetimi ali tridesetimi leti, a takrat je šlo za precej temeljne raziskave in pravzaprav še niso videli njihove uporabne vrednosti. So pa te raziskave osvetlile osnovne lastnosti perovskitov, kar nam zdaj še kako pride prav, saj zaradi poznavanja teh lastnosti napredujemo precej hitreje,« pravi Andraž Krajnc.

Jedrska magnetna resonanca

Krajnc in Mali sta k študiji prispevala pomembne meritve z jedrsko magnetno resonanco (NMR). Z analizami NMR spektrov cezijevih jeder sta potrdila fazno čistost v kompozit vgrajenih perovskitov in pokazala, da obstaja tesen površinski stik med nanokristali perovskita in obdajajočim kovinsko-organskim steklom. »Kolegi iz Queenslanda in Cambridgea, s katerimi sodelujeva, so uvideli možnost priprave in uporabe omenjenih kompozitov. Sama sicer tudi imava izkušnje s kovinsko-organskimi materiali, a sva predvsem specialista za NMR spektroskopijo, ki se je tu izkazala za ključno, saj so druga orodja pri proučevanju neurejenih oziroma nehomogenih snovi manj uporabna,« pojasnjuje dr. Mali.

Oster pogled na molekule in atome

Spektroskopija z jedrsko magnetno resonanco je izredno močno orodje, ki omogoča vpogled v zgradbo snovi in dinamiko v njej na ravni atomov. Pri tem je lahko snov tekoča ali trdna, urejena ali neurejena. V konkretni raziskavi je bila uporaba te metode še toliko bolj pomembna, ker so z njo lahko ločeno opazovali gradnike aktivne snovi (jedra cezijevih atomov v perovskitnih nanodelcih) in obdajajočega stekla (jedra vodikovih, dušikovih in ogljikovih atomov). Potrdili so, da perovskitni nanodelci po sintranju ostanejo fazno čisti in da so na površini v tesnem stiku s kovinsko-organskim steklom. To zadnje opažanje je pojasnilo odlično stabilnost perovskita v kompozitnem materialu. »Dobila sva več vzorcev različno pripravljenih materialov. Posebej uporabna je bila spektroskopija cezijevih jeder, saj se v spektrih teh jeder zelo lepo loči aktivna, torej zaželena faza, od fotoneaktivne faze,« razlaga Mali.

Sodelovanje s skupino se seveda ne ustavlja, doda: »Imamo že celo vrsto novih vzorcev, novih materialov, ki jih bo treba proučiti z NMR spektroskopijo. V teh novih materialih menjavamo gradnike pri eni ali drugi komponenti kompozita. Natančneje bomo preverjali tudi vpliv temperature sintranja kompozitov na učinkovitost LED diod in kasneje še sončnih celic.«

Shranjevanje energije

Če pogledamo še nekoliko širše: kovinsko-organske materiale, s katerimi se ukvarjajo tudi na odseku za anorgansko kemijo in tehnologijo Kemijskega inštituta, bi lahko uporabili za shranjevanje sončne energije na nekoliko drugačen način. »S poroznimi kovinsko-organskimi, aluminofosfatnimi ali aluminosilikatnimi materiali sončne energije ne pretvarjamo v električno energijo, tu je princip shranjevanja drugačen. Energijo namreč shranjujemo in črpamo nazaj prek desorpcije in adsorpcije vode, kar je zelo neposredna pretvorba brez izgub. Našteti materiali so zelo higroskopni, kar pomeni, da zelo radi posrkajo vlago. Če iz takega materiala s polno votlinicami in kanali želimo izgnati vlago, ga moramo segreti; za to uporabimo sonce. V posušen porozen material tako shranimo energijo. In ko bi to energijo radi uporabili, preprosto v material spustimo vlago, pri tem se segreje in odda shranjeno toploto. Tak pristop omogoča zelo dolgoročno shranjevanje toplote. Te iste materiale lahko učinkovito uporabimo tudi v klimatskih napravah. In da se vrnemo nazaj, če kovinsko-organskim materialom 'dodamo' perovskite, lahko govorimo še o sončnih celicah za pretvorbo sončne energije v električno,« razlaga dr. Mali.

Posodabljanje opreme

Vsako sodelovanje v takšni raziskavi, še posebej če pobuda zanj pride iz tujine, in objava v eni najprestižnejših revij dviguje ugled Kemijskega inštituta in slovenske znanosti. »Znanja imamo vsekakor veliko in tudi oprema je še dokaj dobra,« poudarja dr. Krajnc. Vseeno pa raziskovalca upata na posodobitev NMR spektrometra za trdne snovi, ki bi potem omogočal izpeljavo zahtevnejših meritev ​in situ v širokem območju temperatur, tlakov in v atmosferi različnih plinov in s tem še več zanimivih dognanj na področju materialov.