An der Empa entwickelte die Forscherin Dorina Opris neuartige Silikon-Werkstoffe, die Energie speichern, Roboter bewegen oder Vibrationen wahrnehmen können. Vom Europäischen Forschungsrat (ERC) erhielt sie einen «Proof of Concept Grant», um die Materialien aus dem Labor auf den Markt zu bringen.
Energiewandler stecken überall drin, wo Energie in irgendeiner Form erzeugt, gespeichert oder verbraucht wird. Dazu gehören elektrische Geräte, Autos, Kraftwerke, Solarzellen oder Batterien. Es gibt viele Arten von Energiewandlern und Materialien, die dafür verwendet werden. Empa-Forscherin Dorina Opris spezialisierte sich auf Materialien für weiche Energiewandler. Aus elastischen Stoffen mit den richtigen elektrischen Eigenschaften können Schall- und Vibrationssensoren oder künstliche Muskeln hergestellt werden, sogenannte Aktoren, die Bauteile in Bewegung versetzen. Häufig wird für diese Anwendungen Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwendet. Dieser fluorhaltige Kunststoff zählt zur Gruppe der PFAS, die aufgrund ihrer hohen Stabilität in der Umwelt auch als Ewigkeitschemikalien bekannt sind. Wegen der zunehmenden Regulierung, den Gefahren und bevorstehenden Verboten wird nach nachhaltigen, skalierbaren und wirtschaftlichen Alternativen gesucht.
Die Empa-Forscherin entwickelt Polysiloxane (Silikone), die im Gegensatz zu herkömmlichem Silikon polar sind und als Dielektrika funktionieren. Das sind Materialien, die zwar keinen Strom leiten, aber mit elektrischen Feldern interagieren. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung können sie sich reversibel verformen und somit elektrische Energie in Bewegung umwandeln. Für die Entwicklung dieser neuartigen Polymere hat Opris bereits 2020 einen prestigeträchtigen «ERC Consolidator Grant» vom Europäischen Forschungsrat erhalten. Nun würdigt der ERC ihre Forschung mit einem daran anschliessenden «Proof of Concept Grant». Damit soll der Technologietransfer aus der Forschung in die Wirtschaft erleichtert werden.
Das elastische Material kann beispielsweise als Elektrolyt und Bindematerial in Batterien verwendet werden. Bild: Empa
Flexibel und nachhaltig
„Unser Material enthält keine Fluor-Kohlenstoff-Bindungen und es fallen bei seiner Herstellung keine Lösungsmittel oder ozonschädigende Substanzen an, wie dies bei PVDF der Fall ist“, sagt die Empa-Forscherin. Silizium-basierte Kunststoffs können komplett recycelt werden. Deren Produktion benötigt aber viel Energie. Opris und ihr Team entwickeln das Material vor allem in Form von Drucktinten, was eine
einfache und leicht skalierbare Verarbeitung sicherstellt.
PVDF kann nicht in jeder Anwendung ersetzt werden, da die elektrischen Eigenschaften der beiden Materialien zu unterschiedlich sind. Da Polysiloxan deutlich elastischer ist als PVDF – auch bei tieferen Temperaturen – ist es für bestimmte Anwendung geeigneter. Opris sieht vor allem in der Robotik, in der Autoindustrie und in der Energiespeicherung weitere Anwendungsgebiete. «Dadurch, dass wir unser Material zu Dünnschichten verarbeiten können, kann es etwa in Batterien, Kondensatoren und elektronischen Komponenten zum Einsatz kommen», erklärt die Expertin.
Bewährung in der Industrie
Was im Labor erfolgreich ist, muss sich zuerst noch in der Industrie und Wirtschaft bewähren, um am Markt erfolgreich zu sein. «Die industrielle Skalierung braucht Investitionen. Firmen empfinden diesen Schritt aber oft als zu risikobehaftet», so Opris. Mit ihrem ERC Grant von 150’000 Euro möchte die Forscherin Prototypen von dielektrischen Dünnschichten herstellen und im Detail charakterisieren. Damit will sie die Industrie vom Potenzial des neuen Materials überzeugen oder selbst ein Unternehmen zur Kommerzialisierung gründen.
