30 juni 2023

Konstgjorda nervceller, elektroniska växter, billiga solceller och nya typer av lysdioder är bara några exempel på materialforskning som bedrivs vid Linköpings universitet. Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik, är övertygad om att forskning och utveckling av nya material är en nyckel till en hållbar framtid.

Igor Abrikosov på huk framför superdatorn Berzelius. Igor Abrikosov är professor i teoretisk fysik och föreståndare för forskningsområdet Avancerade funktionella material, AFM. Hans forskning fokuserar på att utveckla nya material på en teoretisk nivå. Till sin hjälp har han superdatorer som Berzelius som klarar av de tunga beräkningarna. Magnus Johansson

– Om du kollar på de 17 hållbarhetsmålen från FN är material inte nämnt en enda gång. Men om man tar en närmare titt så ser man att material kan vara lösningen på praktiskt taget var enda ett av målen, säger Igor Abrikosov.

Han är föreståndare för det strategiska forskningsområdet för avancerade funktionella material, AFM, som har Linköpings universitet som värd. Det har kommit till genom en satsning på materialvetenskap från svenska regeringen.

Ambitionen för AFM är att snabba på materialutveckling för både kommersiella tillämpningar och som en grund för framtida forskning.Närbild på kemiska transistorer.De konstgjorda nervcellerna som utvecklats med stöd från AFM är baserade på kemiska transistorer. Foto THOR BALKHED

Men låt oss börja från början.

Det första material vi människor verkar ha intresserat oss för är sten. Det är i alla fall det som finns kvar från de första människorna i arkeologiska utgrävningar. Genom att använda olika material har vi människor upptäckt nya sätt att ändra och forma vår omgivning för att den ska passa oss bättre.

– Materialvetenskap är viktigt för hela mänsklighetens historia. Om du kommer ihåg din grundskoleutbildning så pratar man om stenåldern, bronsåldern och så vidare. Det visar att material alltid har varit viktigt, säger Igor Abrikosov.

Stenyxa till mobil

Nästan alla framsteg i den mänskliga historien, från den första stenyxan, till den industriella revolutionen och vidare till din uppkopplade mobiltelefon har att göra med material. Det finns en linje, med material som gemensam nämnare, från de första människorna som jagar mammutar till dig som sitter och läser det här på en digital skärm.Porträtt av professor Igor Abrikosov.Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik vid Institutionen för fysik, kemi och biologi vid LiU. Foto Magnus Johansson

Men att utveckla nya material är en långsam process. Så även om utvecklingen har varit exponentiell sedan stenåldern tar det som bäst 20 år att utveckla ett nytt funktionellt material idag.

Traditionellt utgår materialforskning från en försöksmodell där man testar och testar igen för att se om man kan lyckas skapa ett nytt material. Det innebär att en enorm mängd kombinationer av grundämnen testas i labbet innan ett önskat resultat uppnås.

Men forskarna vid AFM tar sig an uppgiften på ett annat sätt. Målet är att ändra hela processen från grundforskning till tillämpning.

– Om vi kan röra oss bort från ”trial-and-error”-sättet till en mer kunskapsbaserad design kan vi korta utvecklingstiden markant. Från 20 år ner till kanske fyra eller fem. Då kommer det till och med vara möjligt att utveckla nya material på beställning vilket kommer att rita om spelplanen, säger Igor Abrikosov.

Samlad kunskap

I dag när en ingenjör behöver ett nytt material får hen gå till en katalog med befintliga material och välja. Materialet som väljs kanske inte är optimalt för användningsområdet men får duga eftersom det inte finns något annat. I framtiden ser Igor Abrikosov framför sig att samma ingenjör kan beställa ett nytt material med exakt de egenskaper som krävs för tillämpningen.

Han menar att det viktigaste för att snabba på utvecklingen är att kunskapsnivån inom materialforskning ska nå en kritisk massa. Och inom AFM finns onekligen kunskap.

Cirka 150 forskare från olika fält är knutna till forskningsområdet vilket är en bra utgångspunkt för att skapa nya idéer. Kombinerat med moderna verktyg som artificiell intelligens, maskininlärning och teoretiska simuleringar blir det möjligt för forskarna att undersöka många fler möjliga material i teorin innan de går in i labbet och försöker göra materialet i verkligheten.Blå-led-perovskiter i närbild.Lysdioder baserat på perovskiter som effektivt avger blått ljus kan på sikt leda till billig och energieffektiv belysning. Foto Thor Balkhed

– Materialuniversumet är hittills i princip outforskat. Det finns massor som kan och behöver upptäckas, säger Igor Abrikosov.

Forskningen som bedrivs inom AFM spänner från tillämpad forskning, som skulle kunna finnas på marknaden inom några år, till den absolut mest fundamentala grundforskningen som utforskar gränserna för kemi och fysik, men som inte har någon uppenbar användning just nu.

Bevara alla typer av forskning

Ett sådant exempel är en studie publicerad i Nature Communications där AFM-forskare bidrog till stora delar av upptäckten. Det handlar om upptäckten av en negativ aromatisk kväve-jon i en väldigt avancerad kalium-kvävesammansättning skapad under högt tryck – något som Igor Abrikosov beskriver som ett genombrott.

Så även om det inte finns någon tillämpning just nu har man visat något som man tidigare ansåg vara omöjligt. Det öppnar för ny kunskap och nya perspektiv och kan visa sig vara oumbärligt för framtida tillämpningar inom medicin eller kemiteknik.Biosensor implanterad i stammen på en växt.En enzymatisk biosensor implanterad i stammen på en växt som kan övervaka dess välmående utan att skada växten. Foto THOR BALKHED

– Det är väldigt viktigt att förstå att vi måste bevara alla lager av forskning – grund, strategisk och tillämpad. Tänk på upptäckterna som gjordes i mitten på förra seklet som användandet av kisel. Det hade ingen uppenbar användning då, men utan det skulle vi inte ha teknologin vi har idag, säger Igor Abrikosov.

Materialforskning behövs överallt

Dessutom är materialforskning en plattform för andra forskningsområden. Till exempel skulle utforskning av rymden vara omöjlig utan avancerade material. Och inom medicin finns alltid behovet av nya material – om du vill ha bättre implantat behövs material som efterliknar ben eller för att få bättre magnetkameraundersökningar krävs bättre kontrastvätskor och så vidare. Inom industrin behövs nya beläggningar för att olika skärverktyg ska vara skarpa längre. Och för kvantdatorer behöver nya material utvecklas som kan hantera kvantbitar.

Material kan till och med användas som modeller för att studera kosmologi och grundläggande egenskaper hos vårt universum.

Allt det här kombinerat kan hjälpa oss att förstå världen som den ser ut idag och vad vi behöver göra för att den ska bli så bra som möjligt. Igor Abrikosov är övertygad:

– Materialvetenskap är en nyckel för en hållbar framtid. Och utan den hade vi inte varit i närheten av var vi är idag.

Artikeln i texten: Aromatic hexazine [N6]4− anion featured in the complex structure of the high-pressure potassium nitrogen compound K9N56. Dominique Laniel, Florian Trybel, Yuqing Yin, Timofey Fedotenko, Saiana Khandarkhae-va, Andrey Aslandukov, Georgios Aprilis, Alexei I. Abrikosov, Talha Bin Masood, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Konstantin Glazyrin, Michael Hanfland, Jonathan Wright, Ingrid Hotz, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia. Nature Chemistry (2023) DOI: 10.1038/s41557-023-01148-7

Igor Abrikosov kommer gående mellan två superdatorer."Materialuniversumet är hittills i princip outforskat. Det finns massor som kan och behöver upptäckas", säger Igor Abrikosov. Foto Magnus Johansson

Kontakt

Forskning på högsta nivå

Senaste nytt från LiU

Deras projekt måste hålla för en rymdfärd

Swedish space corporation gav LiU-studenterna drömuppdraget: Utveckla en trycksäker apparat. Som innehåller ett experiment. Och som ska skjutas ut i rymden.

Porträtt på professor Zoran Slavnic.

Bosniska flyktingar klarade sig trots ovisshet

Två grupper flydde i omgångar från kriget i Bosnien. Den ena fick snabbt permanent uppehållstillstånd i Sverige medan den andra fick leva i ovisshet. Nu har forskare vid LiU undersökt vad det fick för följder. Resultatet är oväntat.

ung man tar paus i löpningen.

Fysisk form i tonåren kopplat till åderförfettning i medelåldern

Män som var i god fysisk form som unga hade lägre risk för åderförfettning nära 40 år senare, enligt en studie ledd av LiU-forskare. Fynden pekar mot att åderförfettning är en av mekanismerna bakom sambandet mellan fysisk form och hjärt-kärlsjukdom.