Editor’s Choice

Välkommen kära läsare!

Det här är Editor’s Choice, platsen på hemsidan där jag kommer att skriva inlägg om intressanta materialrelaterade ämnen. Det kan vara allt från en liten orientering i ett materialrelaterat Nobelpris eller något exempel på materialforskning som sker vid Uppsala Universitet. Ibland kanske det blir exempel på material som vi tar upp i utbildningen som ni som studerar kommer kunna relatera till. Andra gånger kanske det är något helt nytt.

Själv blev jag väldigt nyfiken på material när jag fick höra om grafen, en allotrop av grundämnet kol som bara är ett atomlager tjockt och därför har en mängd speciella egenskaper. Efter det sökte jag programmet Q för att genom kemi och fysik förstå varför material har olika egenskaper, hur man kan kontrollera dem och hur man kan applicera dessa i nya tillämpningar. Området är lika brett som det är djupt, och jag insåg snabbt att det finns många andra intressanta material värda att djupdyka i.

Och djupdyka gör jag gärna – därför tar jag tacksamt emot tips på nyheter eller intressanta material från er läsare. Vill du dela med dig av något, funderar kring något eller vill peka ut eventuella faktafel i mina inlägg så tveka inte att kontakta mig på q-web@utn.se.

Med det tackar jag för mig och önskar dig trevlig läsning!
Filip Selenius Larsson, Webmaster

Vätgassamhället och materialvetenskap

Många goda ting kommer i lila. Denna månaden lanserades Q-sektionens lila ryggsäck – och även forskning på “lila bakterier” som man använde för att framställa vätgas från avloppsvatten. I en artikel på researchgate säger en av forskarna att de vill kommersialisera detta. Detta för mig till dagens ämne: vätgasteknik.

Vätgas är en intressant möjlighet att lagra energi. Genom att splitta vatten genom elektrolys bildas vätgas tillsammans med syrgas. För att få el till elektrolysen kan man t.ex. använda vind- och solkraft, och på så sätt lagra den energi dessa producerar. Eftersom att vätgas är just en gas och inte en vätska som bensin kan den komprimeras väldigt mycket när man håller det under högt tryck. När man vill använda energin igen använder man en bränslecell som oxiderar vätgasen igen och producerar elektricitet, vilket kan driva en elbil. Vissa diskuterar detta som en framtida lösning på att minska beroendet av fossila bränslen, och då pratar man om vätgassamhället. Men stora tekniska omställningar kräver stora tekniska framsteg. Hur ska man producera energin till elektrolysen, hur ska man lagra den färdiga vätgasen och hur ska den användas?

Vätgaslagring är en kritisk aspekt när det kommer till vätgasteknik. Man kan som sagt använda tryckstarka behållare, men dessa utgör explosionsrisk och kräver särskilt höga tryck. Just nu forskas på ett alternativ att lagra vätgasen – i fasta material. Metallhydrider är metalliska legeringar som löser in väteatomer i den fasta strukturen vid mycket lägre tryck och temperaturer närmare rumstemperatur. Man kan även använda porösa material som MOFs (eng. Metal-Organic Frameworks) eller Zeoliter för att lagra vätgas. Utmaningen ligger i att finna det material som kan lösa in mycket vätgas per viktenhet utan att det krävs för höga tryck eller för svåra temperaturer. För att läsa mer om detta kan du finna artikeln jag läste här

Man kan även tänka om och använda flytande vätgasblandningar som man omvandlar till vätgas när det kommer i kontakt med en katalysator. Katalysatorn påskyndar en annars ganska långsam reaktion utan att förbrukas. Här är ytarea också mycket viktigt eftersom att det bara är ytan som är i kontakt med vätskan.

Materialvetenskap är det som möjliggör ny teknik som vätgaslagring i fasta material, bättre batterier och utveckling av redan befintliga metoder. Ett exempel på det senare är HYDRITs satsning på att utveckla vätgasbaserad framställning av stål, en process som skulle kunna ersätta den befintliga tekniken som idag släpper ut stora mängder av Sveriges totala koldioxidutsläpp.

Det står klart att vätgasteknik kan få en stor påverkan på framtidens samhälle och att materialvetenskapen är viktig för dess utveckling. Därför är jag tacksam för att vi som materialare får möjligheten att följa med i denna utveckling – och vad vet jag, kanske kommer någon av oss att utveckla detta område själv i framtiden.

Filip Selenius Larsson, Webmaster

Uppsalaforskare i spåren av ett Nobelpris: Topologiska kvanttillstånd

För två år sen tilldelades Nobelpriset i fysik en forskargrupp som arbetat med topologiska kvanttillstånd, en samling kvantfysiska fenomen som uppstår i vissa materials ytskikt. Det är detta som en forskargrupp vid Uppsala Universitet skrev om i artikeln “Distinct fermionic states in a single topological metal” genom ett samarbete med forskare från USA, Taiwan och Polen. De tror sig ha gjort världens första observation av tre speciella topologiska kvanttillstånd i ett och samma material, vilket kan vara ett steg närmare bättre supraledare och kraftiga kvantdatorer i framtiden.

Som ni förstår är det mycket komplicerad materialfysik som ligger bakom dessa fenomen. Ett exempel är den kvantfysiska koppling mellan elektroners spinn och elektronorbitalens rörelsemängdsmoment kring atomkärnan, kallat spinn-ban-koppling. Man kan också koppla förekomsten av topologiska kvanttillstånd till bandstrukturen för elektronernas energinivåer i ett materials struktur där ledningsbandet och valensbandet möts i en Dirac-kon. Det senare gäller faktiskt även för det numera ökända materialet grafen, vars upptäckt ledde till Nobelpriset i fysik 2010.  

Men du kan vara lugn, sån här avancerad fysik kommer inte på provet. Eller gör det? Jag tittar på dig Kvantmekanik och kemiska bindningar I och Fasta materials fysik 1.

Det material forskarna undersökte är Hf2Te2P, ett material i en familj av halvmetaller som nyligen uppmärksammats för dess intressanta topologiska egenskaper. Man började med DFT-beräkningar (DFT = Density Functional Theory) som simulerar elektrontätheten i materialstrukturer med hjälp av kvantfysikens lagar. Detta följde man upp med empiriska studier med ARPES, ett spektroskopiskt instrument som mäter elektroner i en materialstruktur med hjälp av röntgenstrålning från en synkrotron. För att göra mätningarna krävdes att man klöv materialet vid 18K (-255.15℃) samtidigt som det var i vakuum!

Men resultatet var värt mödan. De observerade ett nytt topologiskt kvanttillstånd, och simuleringarna visade att det finns två till i materialet. Detta är unikt och har enligt forskarna inte setts förut. Förhoppningsvis kan upptäckter som denna göra att man bättre förstår hur topologiska kvantfenomen växelverkar för att kunna utforma framtidens supermaterial för kvantdatorer.

Om du är intresserad av att läsa någon vetenskaplig artikel kan du som student göra det helt gratis via Uppsala universitets bibliotekstjänst!

Filip Selenius Larsson, Webmaster

Kontakta oss

Vi återkommer så snart som möjligt!

Start typing and press Enter to search