Forskning inom Materialdesign 

Hur långt kan vi driva design och skräddarsydda materialegenskaper för nya tillämpningar? Detta beror i slutändan på hur väl vi kan kontrollera de atomära beståndsdelarna när ett material byggs upp och struktureras. 

För att utforska spannet av möjliga egenskaper behöver vi fördjupa den grundläggande förståelsen av materialen och de syntesprocesser där de bildas, på atomär nivå.

Modellering, syntes och karakterisering

Forskningen inom Materials Design‑divisionen är därför en stimulerande kombination av grundläggande fysik, kemi och applikationsinspirerad forskning, inklusive teori och modellering, materialsyntes och karakterisering av 3D-, 2D- och 1D‑material samt egenskapstester.

Ett särskilt fokus ligger på material för en hållbar framtid, med tillämpningar inom exempelvis energilagring och energiomvandling, katalys, vattenrening, elektronik och ingenjörsapplikationer.

Vi är för närvarande ett team på mer än 30 personer som använder ett tvärvetenskapligt angreppssätt för att hitta optimala lösningar för design av nya material.

Divisionen är för närvarande indelad i fem enheter:

  • Tunnfilmer och funktionella 2D‑material

  • Materialteori

  • Tillämpad elektrokemi och vattenrening

  • Nanolaminerade material

  • Material för capture and conversion teknologier 

Forskningsprojekt

Data-driven discovery and direct synthesis of MXenes

Data-driven discovery and direct synthesis of MXenes
 
MXenes, two-dimensional transition-metal carbides and nitrides, are typically obtained from MAX phases, yet historical reports suggest a broader, largely unexplored chemical space. Here we combine machine-learning–assisted database mining with experiments to uncover overlooked multilayer (ml) MXenes. Screening of repositories reveals a “Treasure Chest” of 38 unrecognized ml-MXene candidates, that we explore from theoretical and experimental perspectives.

Scalable synthesis of TiO2-based 1D-nanofilaments 

Scalable synthesis of TiO2-based 1D-nanofilaments
 
We recently (2023) discovered a new, simple, and scalable route for the synthesis of TiO2-based 1D nanofilaments (NF) (patent pending). These materials are being explored for photocatalytic, environmental, and optoelectronic applications, targeting sustainable applications.

Realization of free-standing, single-layer noble metals

Goldene
 
The synthesis of monolayer gold has so far been limited to free-standing several-atoms-thick layers, or monolayers confined on or inside templates. We recently (2024) reported synthesis of “goldene” comprising single-atom layer gold derived from MAX phase thin films, being the foundation of recently established “Goldene AB”. We are currently exploring scalable methods based on powder synthesis, as well as expansion of the concept to other noble metals, for catalysis, electronics, and beyond.

AI-accelerated materials development

Berzelius superdator Thor Balkhed
 
We target tools for materials innovations developed in pace with new ML-based methods for predictive modelling and advanced in situ characterization of 3D and 2D materials, at short time scales and down to atomic level. This will be leveraged by a methodology integrating foundation models into a closed loop comprising a) ML-based prediction of materials and their properties bottom-up or b) ML-based proposition of materials from demanded properties top-down.

Nyheter om Materialdesign

Picture of Durga

29 maj 2026

LiU-postdoc tilldelas kungligt stipendium

Durga Sankar Vavilapalli vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) har tilldelats stipendium från Stiftelsen Konung Carl XVI Gustafs 50‑årsfond för vetenskap, teknik och miljö.

Porträtt av Johanna Rosén, professor i materialfysik

13 februari 2026

Bidra till livsviktig materialforskning

Nya material en enorm potential att lösa dagens utmaningar kring energi och miljö. Johanna Rosén forskar om hållbara material som kan spela en avgörande roll i den gröna omställningen.

Forskare pratar på en scen.

10 november 2025

Nobelpristagare mötte gymnasieelever på LiU - en dag i fysikens tecken

En unik inspirationsdag för materialfysik samlade 440 elever från regionen till Campus Valla.

Enheter

Tunnfilmer och funktionella 2D‑material

Vi arbetar med tunnfilmer, det vill säga ett tunt lager av material som deponeras på en yta för att uppnå egenskaper som inte kan erhållas av ytmaterielet i sig.

Vårt mål är att möjliggöra design av tunnfilmer med specifika egenskaper och att kontrollera exempelvis hårdhet, ledningsförmåga, transparens, magnetism samt motståndskraft mot värme och slitage.

Ett annat fokus inom enheten är att syntetisera laminerade 3D‑material (i pulverform) som kan omvandlas till 2D‑material genom kemisk exfoliering. Exempel på sådana material är 2D‑metallkarbider (MXener) och borider (boriden). Dessa material uppvisar en stor yta i förhållande till volym, vilket gör dem potentiellt mycket intressanta för energilagring och katalys.

Materialteori

Inom enheten för materialteori utför vi prediktiva och förklarande simuleringar baserade främst på densitetsfunktionalteori (DFT).

Ett övergripande mål är att teoretiskt förutsäga nya material som kan syntetiseras i laboratoriet, samt att bidra till en grundläggande förståelse av den bildade strukturens uppbyggnad, sammansättning och grundläggande egenskaper.

Simuleringarna omfattar både 3D‑ och 2D‑material, och vi arbetar i nära samarbete med experimentella forskare.

Vi samarbetar också nära med experter inom AI, maskininlärning och stora språkmodeller (LLM) för att accelerera materialutvecklingen.

Tillämpad elektrokemi och vattenrening

Inom enheten för tillämpad elektrokemi arbetar vi både med redan kända material och med nya material som upptäckts inom Materials Design‑divisionen.

Vi fokuserar på hållbar materialutveckling och designar elektroder och enheter som vi testar för energilagring (superkondensatorer, batterier), katalys (HER, OER osv.), vattenrening (antibiotika, PFAS, tungmetaller med mera) och mycket annat.

Nanolaminerade material

Teamet arbetar med utveckling av skiktade 3D‑ och 2D‑material (karbider, borider, nitrider, oxider) för tillämpningar som sträcker sig från hårda och slitstarka beläggningar till storskaliga material för hållbara applikationer.

Material för capture- and conversion-teknologier

Vi utvecklar avancerade material för infångning, separation och omvandling av molekyler som är relevanta för hållbara teknologier.

Medarbetare

Publikationer

2026

Yiftach Kushnir, Bar Favelukis, Martin Dahlqvist, Mark Baranov, Asaf Nitsan, Or Messer, Avia Greenberg, Alexander Upcher, Nitzan Maman, Johanna Rosén, Barak Ratzker, Maxim Sokol (2026) Promotion of 211 MAX Phase Formation through Bismuth A-Site Solid Solution in Ti2(Al1-xBix)C Small Structures, Vol. 7, Artikel e70494 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/sstr.70494
Marta Gomez-Gomez, Jorge Labella, Jonas Björk, Adriana E. Candia, Tomas Torres, Jorge Lobo-Checa (2026) Toposelective on-surface synthesis of curved p-extended oligomers based on bowl-shaped aromatics Chemical Science (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1039/d6sc01702a
Bastian Schmiedecke, Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Axel Zuber, Merve Buldu-Akturk, Ningjun Chen, Mailis Lounasvuori, Xuyun Guo, Valeria Nicolosi, Thorsten Schultz, Norbert Koch, Johanna Rosén, Michelle P. Browne (2026) V2CTx MXene as a Sacrificial Promoter for NiFe Catalyst for Anion Exchange Membrane Electrolyzers Advanced Science (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/advs.75676
Rodrigo Mantovani Ronchi (2026) Design of Novel 3D and 2D Laminated Materials: Theoretical and Experimental Perspectives (Doktorsavhandling, sammanläggning) https://dx.doi.org/10.3384/9789181185676
Lan Tang, Guohao Yin, Lianghao Yu, Xiaoqing Wang, Enhui Hong, Yongxiang Su, Mingcong Yang, Guang Zhu (2026) Ultrastrong interfacial anchoring: Dual hydrogen-bonded network enables high-performance Si/C composite anodes Carbon, Vol. 254, Artikel 121482 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121482
Wencai Ren, Peter Boggild, Joan Redwing, Kostya S. Novoselov, Luzhao Sun, Yue Qi, Kaicheng Jia, Zhongfan Liu, Oliver Burton, Jack Alexander-Webber, Stephan Hofmann, Yang Cao, Yu Long, Quan-Hong Yang, Dan Li, Soo Ho Choi, Ki Kang Kim, Young Hee Lee, Mian Li, Qing Huang, Yury Gogotsi, Nicholas Clark, Amy Carl, Roman Gorbachev, Thomas Olsen, Johanna Rosén, Kristian Sommer Thygesen, Dmitri K. Efetov, Bjarke S. Jessen, Matthew Yankowitz, Julien Barrier, Roshan Krishna Kumar, Frank H. L. Koppens, Hui Deng, Xiaoqin Li, Siyuan Dai, D. N. Basov, Xinran Wang, Saptarshi Das, Xiangfeng Duan, Zhihao Yu, Markus Borsch, Andrea C. Ferrari, Rupert Huber, Mackillo Kira, Fengnian Xia, Xiao Wang, Zhong-Shuai Wu, Xinliang Feng, Patrice Simon, Hui-Ming Cheng, Bilu Liu, Yi Xie, Wanqin Jin, Rahul Raveendran Nair, Yan Xu, Qing Zhang, Ajit K. Katiyar, Jong-Hyun Ahn, Igor Aharonovich, Mark C. Hersam, Stephan Roche, Qilin Hua, Guozhen Shen, Tianling Ren, Hao-Bin Zhang, Chong Min Koo, Nikhil Koratkar, Vittorio Pellegrini, Robert J. Young, Bill Qu, Max Lemme, Andrew J. Pollard (2026) The 2D materials roadmap 2D Materials, Vol. 13, Artikel 021501 (Artikel, forskningsöversikt) https://dx.doi.org/10.1088/2053-1583/ae2b82
Ingrid Gregorovic, Nahid Lotfian, Ruhollah Khajavian, Sukanya Maity, Masoud Mirzaei, Sib Sankar Mal, Manuel Aureliano, Annette Rompel (2026) Polyoxometalates in environmental remediation and energy storage ENVIRONMENTAL SCIENCE-NANO, Vol. 13, s. 1295-1346 (Artikel, forskningsöversikt) https://dx.doi.org/10.1039/d5en00964b
Durga Sankar Vavilapalli, Gordian Sandberg, Leiqiang Qin, Joseph Halim, Andrejs Petruhins, Daniel Dahlberg, Markus Axelsson, Anneli Kruve, Johanna Rosén (2026) Synergistic Photo-Electro-Fenton Oxidation of Antibiotics Using a Ferrocene-Functionalized MXene (Ti3C2Tx) Electrode Energy & Environmental Materials, Artikel e70310 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/eem2.70310
Haolin Dong, Zhongbo Zhang, Zhifang Wang, Yan Guo, Xinxin Huang, Qiang Huang, Jonas Björk, Johanna Rosén, Mihaiela C. Stuparu, Kaifeng Niu, Lifeng Chi, Qigang Zhong (2026) On-Surface Synthesis of Isotactic Double-Stranded Corannulene Polymers Steered by Hierarchical Supramolecular Self-Assembly Journal of the American Chemical Society, Artikel PMID 7503056 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1021/jacs.5c16884
Shun Kashiwaya, Stephen Nagaraju Myakala, Sho Nekita, Yuta Tsuji, Yuran Niu, Xianjie Liu, Leiqiang Qin, Manisha Sharma, Alexei Zakharov, Lars Hultman, Dominik Eder, Hikaru Saito, Alexey Cherevan, Johanna Rosén (2026) Facet-Selective Electrostatic Assembling of 2D Mxene onto Anisotropic Single-Crystal Metal Oxides for Enhanced Photocatalysis Advanced Materials, Vol. 38, Artikel e19087 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/adma.202519087
Mohamed A. Ibrahim, Sukanya Maity, Sebastien Boukhris, Mary Qin Hassig, Treesa Reji, Johanna Rosén, Doru Constantin, Michel W. Barsoum (2026) Room-Temperature Synthesis and Length Tunability of Quantum-Confined One-Dimensional Lepidocrocite Titanate Nanofilaments Small (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/smll.202511002
Leiqiang Qin, Rutuparna Samal, Jianxia Jiang, Joseph Halim, Ningjun Chen, Florian Chabanais, Per O A Persson, Johanna Rosén (2026) Defect Engineering and Effect of Vacancy Concentration on the Electrochemical Performance of V-Based MXenes Energy & Environmental Materials (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/eem2.70253
Marley Downes, Martin Dahlqvist, Pawel Piotr Michalowski, Johanna Rosén, Yury Gogotsi (2026) Understanding the Effect of Oxygen on M5AX4 Structure, Stability, and Mechanical Properties Chemistry of Materials, Vol. 38, s. 231-239 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c02254
Elena Perez-elvira, Ana Barragan, Diego J. Vicent, Oscar Jover, Aurelio Gallardo, Alba Garcia-frutos, Lenka Cerna, Koen Lauwaet, Jose Santos, Josefina Perles, Jose M. Gallego, Rodolfo Miranda, Jose I. Urgel, Jonas Björk, Marco Di Giovannantonio, Nazario Martin, David Ecija (2026) Substrate-Selective Temperature-Controlled Synthesis of Thiophene Derivatives at Interfaces Angewandte Chemie International Edition, Vol. 65, Artikel e20887 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/anie.202520887
Shun Kashiwaya, Yuchen Shi, Jun Lu, Davide Sangiovanni, Grzegorz Greczynski, Martin Magnuson, Mike Andersson, Johanna Rosén, Lars Hultman (2026) Reply to: Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold NATURE SYNTHESIS (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1038/s44160-025-00960-y
Feiyue Hu, Peigen Zhang, Pei Ding, Shuo Zhang, Bingbing Fan, Ali Saffar Shamshirgar, Wei Zheng, Wenwen Sun, Longzhu Cai, Haijiao Xie, Qiyue Shao, Johanna Rosén, Zhengming Sun (2026) Magnetic-Dielectric Synergy in One-Dimensional Metal Heterostructures for Enhanced Low-Frequency Microwave Absorption NANO-MICRO LETTERS, Vol. 18, Artikel 155 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1007/s40820-025-01995-8
Sanjay Chakraborty, Jonas Björk, Martin Dahlqvist, Johanna Rosén, Fredrik Heintz (2026) A survey of AI-supported materials informatics Computer Science Review, Vol. 59, Artikel 100845 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1016/j.cosrev.2025.100845
Nan Cao, Wenchao Zhao, Kaifeng Niu, Chenqi Zhao, Kaiwei Wang, Felix Haag, Francesco Allegretti, Johanna Rosén, Jonas Björk, Lifeng Chi, Johannes V Barth, Biao Yang (2026) Reactivity of Aromatic Amines Under O2 Exposure on Metal Surfaces CCS CHEMISTRY, Vol. 8, s. 1506-1515 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.31635/ccschem.025.202505861
Ali Saffar Shamshirgar, Roman Ivanov, Sofiya Aydinyan, Sohan Ghosh, Florian Chabanais, Rodrigo Ronchi, Joseph Halim, Anna Elsukova, Leiqiang Qin, Khachik Nazaretyan, Marieta Zakaryan, Suren Kharatyan, Per O A Persson, Irina Hussainova, Johanna Rosén (2026) Rapid and scalable combustion synthesis of (Mo2/3Y1/3)2AlC i-MAX as the precursor for vacancy-ordered MXene Journal of Materials Science & Technology, Vol. 255, s. 157-169 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.014
Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Thorsten Schultz, Leiqiang Qin, Ningjun Chen, Danielle A. Douglas-Henry, Bastian Schmiedecke, Merve Buldu-Akturk, Axel Zuber, Iris Dorbandt, Maximilian Reinhardt, Yael Rodriguez-Ayllon, Yan Lu, Valeria Nicolosi, Norbert Koch, Johanna Rosén, Michelle P. Browne (2026) Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene-Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers Advanced Functional Materials, Vol. 36, Artikel 2503842 (Artikel i tidskrift) https://dx.doi.org/10.1002/adfm.202503842

Organisation