Gelauwerde prof. Andries Meijerink speelt met licht en lanthaniden

Andries Meijerink, hoogleraar vastestofchemie in Utrecht, doet fundamenteel onderzoek aan lichtgevende stoffen. Dat moet betere ledlampen, efficiëntere zonnepanelen en veiligere bankbiljetten opleveren. beeld RD, Anton Dommerholt
9

De Utrechtse chemicus Andries Meijerink liep niet juichend rond op zijn lab, maar hij was wel erg blij met de toekenning van de prestigieuze Gilles Holst Medaille, die hem op 20 januari wordt uitgereikt. „Een hele eer.”

Meijerink blijkt een enthousiaste verteller, een geboren docent. Op zijn kamer, waar tal van vakboeken, stapels paperassen en posters een plek hebben gekregen, doet de Utrechtse hoogleraar vastestofchemie uit de doeken waarvoor hij die prijs heeft verdiend.

Zijn onderzoek richt zich op lichtgevende materialen: stoffen die licht uitzenden door fluorescentie of fosforescentie, oftewel luminescentie. „De deeltjes waar ik naar kijk, zijn de zogeheten zeldzame aarden: de lanthaniden, yttrium en scandium. Die deeltjes gedragen zich chemisch ongeveer hetzelfde, maar hebben verschillende optische en magnetische eigenschappen. Ze kunnen efficiënt verschillende kleuren licht uitzenden. In ledlampen en tl-buizen geven combinaties van lanthaniden wit licht. En dat maakt ze geschikt voor mijn onderzoek.”

Meijerink pakt er een houten koffer bij waarin alle elementen zich in afgesloten buisjes bevinden, geordend volgens het periodiek systeem. Hij neemt er een buisje met donkergrijze brokjes uit. „Dat is thallium, een extreem giftig metaal. Mijn favoriet is europium, een zilverwitte lanthanide.” Tussen neus en lippen door: „Dat kost wat, zo’n koffer: 2750 euro, maar dan heb je ook wat. Ik gebruik hem geregeld tijdens mijn colleges.”

Wat doet u met die lanthaniden?

„We werken vooral met microkristallijne en nanokristallijne materialen waarin we lanthanide-ionen inbrengen. Die maken we van zuivere lanthaniden. Vooral het maken van nanodeeltjes is spannend. Die chemische reacties voeren we uit in handschoenenkasten, ”gloveboxes”: grote, afgesloten kasten waarin een niet-reactieve stikstofatmosfeer heerst. Dat moet omdat het gevaarlijke chemicaliën zijn die direct reageren met water of zuurstof uit de lucht.”

Hoe maakt u die nanodeeltjes?

„We injecteren de uitgangsstoffen voor het maken van die nanodeeltjes bij hoge temperatuur in een oplosmiddel. Die stoffen reageren vervolgens met elkaar tot nanodeeltjes.

Daarnaast voeren we heel ouderwetse syntheses uit van microkristallijne materialen. Je mengt poeders van uitgangsstoffen, zet ze in een oven bij 1000 of 1500 graden en ze reageren met elkaar tot het kristal dat we willen hebben.”

Waarvoor doet u deze syntheses?

„Ons onderzoek is gericht op het oplossen van fundamentele vragen. Daarbij is het maken van materialen cruciaal. We krijgen ook praktische problemen voorgelegd. Vaak door een bedrijf, zoals Philips Lighting. Wij zoeken vervolgens naar een oplossing. Deze manier van werken levert ons nieuwe, fundamentele kennis op.”

Waarover zoal?

„Bijvoorbeeld over witte ledlampen. Daarin zit een led die heel efficiënt blauw licht, dat zijn lichtdeeltjes met de hoogste energie, uitzendt. Toen de blauwe led was uitgevonden, bleek al heel snel dat een deel van dat blauwe licht met gele fosfor kan worden omgezet in geel licht. Blauw en geel licht mengen samen tot helderwit licht.

Maar toen deed er zich een probleem voor. In krachtige witte ledlampen werd de fosfor al snel heel heet. Door de hoge temperatuur ontstond zogeheten temperatuurdoving, waardoor de ledlamp minder efficiënt werd. De luminescentie werkt minder goed. Uiteindelijk bleek dat het gehalte van het lanthanide-ion cerium in de fosfor vrij hoog was. Voor de oplossing hadden we fundamentele, diepgaande kennis nodig van de luminescentie van het ceriumion. Wat bleek? Wanneer we de concentratie cerium verlaagden, was het probleem voorbij. En de ledlamp deed het even goed.”

U doet ook iets met luminescerende stoffen in zonnecellen.

„Dat onderzoek staat nog in de kinderschoenen. We hebben wel een idee. Maar dat is nu nog niet toepasbaar” (zie ”Licht optellen en delen in zonnepanelen”).

Uw werk heeft geleid tot nieuwe fundamentele inzichten in de kwantummechanische interacties tussen ionen. Wat is dat in jip-en-janneketaal?

Glimlachend: „Ik ga een poging wagen. In het algemeen kun je zeggen: lanthanide-ionen zenden heel goed licht uit, maar absorberen het heel slecht. Wij zijn dus op zoek naar ionen of deeltjes die goed licht opnemen. Die geadsorbeerde lichtenergie moet vervolgens worden overgedragen op een lanthanide-ion. Deze energieoverdracht gebeurt via een kwantummechanisch proces. Je kunt je dat voorstellen als een systeem van zender en ontvanger. Als beide zijn afgestemd op dezelfde golflengte kunnen ze met elkaar communiceren; dan is efficiënte energieoverdacht mogelijk. Wij bestuderen hoe je die overdracht nog efficiënter kunt maken.”

Wat trekt u aan in dit type onderzoek?

„De natuur begrijpen. Dat is de drijfveer van fundamenteel onderzoek. Je hebt een idee, je gaat onderzoek doen en negen van de tien keer werkt het niet. Die ene keer dat het wel werkt, is fantastisch. Dat geeft veel voldoening. En als we de natuur begrijpen, kan dat helpen bij praktische toepassingen.”

Voor bedrijven?

„Bijvoorbeeld. Bedrijven hebben vaak niet door hoe lastig fundamenteel onderzoek is en hoe klein de kans is dat er een toepassing uit komt. Maar als het lukt, kan het bedrijven een financieel succes opleveren.”

Hoe bent u bij dit vakgebied terechtgekomen?

„Als student vond ik biochemie geweldig. Ik ben dat toen als bijvak gaan volgen. Maar het praktische werk vond ik saai. Tegen de tijd dat je wat leuks kon meten, was het vak alweer afgelopen. Intellectueel voor mij als student niet uitdagend. Toen ben ik luminescentie als bijvak gaan doen. Dat vond ik fantastisch. Je werkt met lasers, met licht en met stofjes. Dat levert concrete resultaten op. Ik ben daarop gepromoveerd. En ik geniet er nog elke dag van: werken op het grensvlak van scheikunde en natuurkunde.”

....

Prof. dr. Andries Meijerink

Andries Meijerink (56) is sinds 1996 hoogleraar vastestofchemie aan het Debye Institute for Nanomaterials Science (DINS) van de Universiteit Utrecht. Van 2004 tot 2007 was hij decaan van de faculteit scheikunde. Sinds 2009 is hij lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW).

Meijerink promoveerde in 1990 cum laude aan de Universiteit Utrecht en werkte daarna enige tijd als postdoc aan de University of Wisconsin in Madison (VS).

In al die jaren publiceerde de hoogleraar meer dan 390 artikelen. Ook is hij houder van tien patenten.

Voor zijn wetenschappelijke werk is Meijerink verschillende keren onderscheiden. Hij ontving onder meer de Centennial Award for Luminescence and Display Materials in 2002 van de Amerikaanse Electrochemical Society. Van de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging ontving de hoogleraar de Gouden Medaille en Shell reikte hem de Incentive Award uit. Verder ontving Meijerink de afgelopen twaalf jaar zeven keer de ”onderwijsprijs voor de beste eerstejaarsdocent” van de Utrechtse studentenvereniging Proton.

Op 20 januari reikt de KNAW hem de prestigieuze Gilles Holst Medaille uit. De medaille wordt eens in de vier jaar uitgereikt aan een in Nederland werkzame onderzoeker op het grensgebied van natuurkunde en scheikunde.

....

Eurobiljet beveiligd met europium

Wanneer de Europese bank in 2002 de eerste eurobiljetten uitgeeft, prikkelen ze de nieuwsgierigheid van Andries Meijerink, hoogleraar vastestofchemie van de Universiteit Utrecht. De eurobiljetten zijn immers beveiligd met stoffen die oplichten als het biljet wordt bestraald met uv-licht.

Maar welk materiaal is er gebruikt voor de beveiliging? Meijerink ging samen met promovendus Freek Suyver op onderzoek uit. Op het 5 eurobiljet lichten de brug, de kaart van Europa en de vlag van de Europese Unie onder een uv-lamp felgroen op. Aan de andere kant geven rode sterren en rode, groene en blauwe vezels licht.

Wat bleek? Het lanthanide europium blijkt in drie verschillende verbindingen voor te komen. In de eurobiljetten is de stof verantwoordelijk voor de rood, groen en blauw oplichtende sterren en vezels.

Meijerink nam daarop contact op met De Nederlandse Bank. Na wat heen en weer gepraat kreeg hij de persoon aan de telefoon die het zou moeten weten. „Hij wilde bevestigen noch ontkennen of onze analyse correct is geweest. Die informatie is namelijk strikt geheim. Maar hij kon wel bevestigen dat in de rode, groene en blauwe materialen het europium-ion licht uitzendt.”

Die geheimhouding weerhield Meijerink er niet van de resultaten te publiceren in het Chemisch 2 Weekblad van 16 februari 2002.

....

Licht optellen en delen in zonnepanelen

Lichtgevende lanthaniden kunnen heel efficiënt licht uitstralen. Als het aan Andries Meijerink ligt, worden ze straks ook toegepast in zonnepanelen. Het rendement, dat nu 25 procent bedraagt, zou daardoor in theorie met sprongen omhoog kunnen gaan. De Utrechtse hoogleraar vastestofchemie kan namelijk lichtdeeltjes (fotonen) bij elkaar optellen en ze delen. Door fotonen te ‘plakken’ of te ‘knippen’.

Hoe gaat dat in zijn werk? Meijerink duikt daarvoor diep in de structuur van het atoom. De elektronen in een atoom bevinden zich in zogeheten orbitalen of schillen. In zo’n orbitaal bevinden zich de elektronen in een zogeheten golf die wiskundig kan worden beschreven. Elk van deze orbitalen heeft een naam. Ze worden opgevuld met elektronen in een vaste volgorde: eerst de s-orbitaal met maximaal twee elektronen, dan de p-orbitaal die zes elektronen telt, vervolgens de d-orbitaal met tien en de f-orbitaal met veertien elektronen enzovoort.

„Neem bijvoorbeeld europium, mijn favoriete ion. Dat heeft zes elektronen in de f-orbitaal. Deze zes elektronen kunnen over de veertien f-orbitalen op 3003 manieren worden verdeeld. Dit worden energieniveaus genoemd. Bestraal je het ion met licht, dan worden elektronen van een verdeling met lage energie naar één met hogere energie gebracht. Het ion moet die energie weer kwijt. Het ion straalt deze vervolgens uit in de vorm van een foton, een lichtdeeltje van een bepaalde golflengte.”

Lanthaniden lenen zich daar bij uitstek voor, vervolgt de hoogleraar. „Elk van de lanthaniden heeft een eigen structuur van energieniveaus.”

Soms is de afstand tussen bepaalde energieniveaus precies hetzelfde. In dat geval kan het lanthanide-ion bijvoorbeeld twee keer een onzichtbaar infrarood lichtdeeltje opnemen, waardoor het in een hoger energieniveau terechtkomt. Daardoor gaat het ion zichtbaar groen licht uitzenden. „In dat geval heb je twee fotonen uit het infrarode spectrum bij elkaar opgeteld. Dat kan een manier opleveren om infrarood licht, waarmee zonnecellen nu niets doen omdat de energie-inhoud te klein is, om te zetten in licht waarmee zonnepanelen wel uit de voeten kunnen.”

Andersom kan de energie-inhoud van een lichtdeeltje ook te groot zijn, zoals bij onzichtbaar uv-licht. „Zo’n foton, dus met te veel energie, wordt wel geabsorbeerd, maar je krijgt er evenveel stroom uit als met zichtbaar licht. Dus uv-licht wordt minder efficiënt omgezet.”

Meijerink denkt dat op te lossen door fotonen van uv-licht om te zetten in twee fotonen van lagere energie, die allebei door de zonnecel in stroom worden omgezet in een golflengte van zichtbaar licht. „Door dit ‘knippen’ van fotonen kun je een verdubbeling krijgen van de lichtabsorptie door zonnepanelen, zodat de stroomopbrengst omhooggaat.” Meijerink heeft diverse combinaties van lanthaniden gevonden die efficiënt fotonen ‘knippen’.

Lanthaniden kunnen goed licht uitzenden, maar slecht opnemen. „We moeten dus op zoek naar een ion dat lichtenergie over een breed spectrum opneemt, en dat vervolgens aan lanthanide-ionen doorgeeft die uv- en blauwe fotonen in tweeën kunnen knippen. Maar daarvoor hebben we nu nog geen pasklare oplossing”, legt de hoogleraar uit. „Daardoor is toepassing in zonnepanelen nog ver weg.”