Moderna alkemister trollar fram superämnen

I den mörka medeltidens laboratorier försökte alkemister förvandla bly till guld. Med dansande elektroner kan vår tids fysiker få fram anmärkningsvärda egenskaper ur i övrigt föga anmärkningsvärda material. De moderna alkemisternas banbrytande försök kan bland annat göra solceller 1 000 gånger tunnare.

I den mörka medeltidens laboratorier försökte alkemister förvandla bly till guld. Med dansande elektroner kan vår tids fysiker få fram anmärkningsvärda egenskaper ur i övrigt föga anmärkningsvärda material. De moderna alkemisternas banbrytande försök kan bland annat göra solceller 1 000 gånger tunnare.

Året är 1669 och tysken Hennig Brand kokar urin som han har samlat in från sina grannar tills den blir trögflytande och avger en rödaktig olja. Han avlägsnar saltet från den nedkokta urinen och tillsätter oljan igen.

Brand hettar upp blandningen tills det bildas en självlysande ånga. En sällsam vätska droppar ut ur kolven.

Han samlar upp den heta vätskan i en behållare med kallt vatten, där den avger ett grönaktigt sken. Han tror att han har löst en tusentals år gammal gåta och att han har hittat det ämne som är känt som ”de vises sten”, som sägs kunna omvandla oädla metaller till guld.

Hennig Brand var en av historiens många alkemister. Med fantasifulla mixturer i bubblande kolvar försökte denna mångskiftande grupp av mystiker och protokemister knäcka naturens koder och omvandla alldagliga material till värdefulla ämnen.

Alkemisterna misslyckades med sina försök, eftersom de inte kände till grundämnena och den moderna kemin. Många av deras metoder levde emellertid ändå vidare och kemister har använt dem i hundratals år.

I 1669 troede den tyske alkymist Hennig Brand, at han havde isoleret de vises sten fra urin. Det var ikke tilfældet, men hans metode – destillation – bliver brugt af kemikere den dag i dag.

© Joseph Wright Gallery

Nu står en ny generation alkemister beredda: fysikerna.

Metoder från fysikernas verktygslåda används i dag för att omvandla till synes ointressanta ämnen som svavelkis och den blyliknande metallen molybden och ge dem tekniska superkrafter.

Därmed håller de moderna alkemisterna samtidigt på att förkasta en av den moderna kemins grundsatser, att varje ämne har bestämda egenskaper som kan slås upp i en bok. Snart finns det inga gränser för vad fysikerna kan skapa, allt från supraledande elkablar av kolmaterial till kvantdatorer och mobilladdare drivna av kroppsvärme.

Fysikerna ”lurar” ämnena

Medeltidens alkemister baserade sina experiment på Aristoteles lära, enligt vilken allt består av jord, luft, eld och vatten. Alkemisterna försökte omvandla ämnen genom att förändra det som de trodde var förhållandet mellan de fyra elementen.

År 1772 skakade den franske vetenskapsmannen Antoine Laurent de Lavoisier alkemins värld i grunden.

Han påvisade då att vatten består av väte och syre, vilket innebar att teorin om de fyra elementen måste överges till fördel för en ny teori om grundämnena.

Sedan dess har kemister systematiserat ämnena i periodiska systemet, och tills nyligen hörde det till deras domäner att experimentera med dem.

Nu håller emellertid fysikerna på att ändra spelreglerna, förklarar fysikern Denys Bondar vid Tulane University i USA. ”I århundraden försökte alkemister förgäves omvandla bly till guld. Men tänk om vi i stället för att omvandla ett material till ett annat kunde lura blyet att bete sig som guld?” frågar han retoriskt.

Fysikerna ”lurar” materialen genom att manipulera elektronerna och få dem att flytta sig i takt, vilket de gör med framför allt tre metoder: elektricitet, ljus och ett särskilt sätt att manipulera ämnens fysiska form, som på engelska kallas twistronics.

Chris Leighton vid amerikanska University of Minnesota är en av de nya alkemisterna. Hans forskargrupp har specialiserat sig på hur el kan förändra ämnens egenskaper.

Forskarna skapade rubriker i slutet av förra året, då de experimenterade med mineralet svavelkis, även känt som kattguld eftersom det är till förväxling likt guld, dock inte tillnärmelsevis lika värdefullt.

Tänk om vi i stället för att omvandla ett material till ett annat kunde lura bly att bete sig som guld? Denys Bondar, fysiker

Normalt är svavelkis, i likhet med exempelvis trä, inte magnetisk. De amerikanska fysikerna satte elektroder på svavelkisen, sänkte ner den i ett metallkärl med en vätska som innehöll joner, positivt och negativt laddade partiklar, och satte på strömmen.

Negativt laddade elektroner i den elektroniska kretsen strömmade in i svavelkisen och samlades nära ämnets yta, medan positivt laddade joner i vätskan samlades precis ovanför.

De två lagren, negativt respektive positivt laddade, gav svavelkisen magnetiska egenskaper.

Aldrig tidigare har fysiker på det här viset kunnat ”aktivera” magnetism i ett icke-magnetiskt material, så Chris Leighton och hans kollegor har nu fullt upp med att bygga vidare på försökets resultat.

Han berättar för Illustrerad Vetenskap att gruppen framför allt betraktar svavelkis som ett material som har potential att användas till extremt tunna solceller, eftersom det absorberar 1 000 gånger mer solljus än kisel, som de flesta solceller i dag framställs av.

Svavelkis, ett mineral som i folkmun även kallas kattguld, är inte magnetisk. Nu har man dock med hjälp av svag ström lyckats ”aktivera” ämnets magnetism. Forskarna bakom studien tror att deras teknik kan komma att användas i nya solceller, som skulle absorbera mer solljus och samtidigt vara betydligt tunnare än dagens solceller.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Kattguld strömsätts

Forskarna förser svavelkisen med elektroder och sänker ner den i ett metallkärl med en jonvätska, en saltlösning bestående av joner, positivt och negativt laddade molekyler.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Ström samlar jonerna

Fysikerna tillsätter el till kärlet och svavelkisen, vilket får vätskans positivt laddade joner att samlas runt svavelkisen. Samtidigt samlas de negativt laddade elektronerna i svavelkisen strax under ämnets yta.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Magnetism uppstår vid ytan

De två lagren av negativt och positivt laddade joner gör svavelkisen magnetisk. Forskarna kan ”aktivera” och ”deaktivera” svavelkisens magnetism genom att öka och minska strömstyrkan.

Hittills har den begränsande faktorn varit att svavelkis inte omvandlar allt solljus till el på ett tillräckligt effektivt vis.

Det kan ett genombrott i Minnesota ändra på. När forskarna nu vet att de elektriska laddningarna vid svavelkisens yta som gjorde mineralet magnetiskt kan manipuleras med hjälp av elektricitet, har man banat väg för att finjustera svavelkisens elektriska ledningsförmåga, så att den kan ta över kiselns roll i solceller.

Laserljus förvandlar material

Den moderna alkemin är ett forskningsområde som växer explosionsartat. En av de mest lovande nya grenarna rör ljus och dess till synes magiska förmåga att omvandla ämnen.

Fysikerna har länge känt till att ljus kan påverka atomer och molekyler genom att bland annat bryta kemiska bindningar.

Vi får ett material att bete sig som ett annat genom att stimulera det med laser. Mark Rudner, fysiker

Nu har forskarna funnit att pulser av laserljus med rätt varaktighet och vågform kan förändra grundläggande egenskaper, till exempel hur ett material leder elektricitet – och nyckeln är elektroner.

En atom består av en atomkärna omgiven av ett antal elektroner. I fasta ämnen är det elektronerna som avgör många av ämnets egenskaper. I en metall ordnas atomerna till exempel i ett slags kristallgaller, där varje atom avger en eller två av sina yttersta elektroner till kristallen som helhet.

Dessa elektroner kan röra sig fritt i gallerstrukturen, vilket bland annat gör metaller till bra ledare och ger dem sin glans och ogenomskinlighet.

Om man kan kontrollera elektronerna kan man också påverka ämnets egenskaper.

Det är här att de ultrakorta laserpulserna kommer in i bilden. De kan nämligen få elektronerna att röra sig på ett koordinerat sätt, så att de ”dansar” i takt med varandra.

Laserljusets förmåga att koordinera elektronernas rörelser används huvudsakligen i jakten på så kallade supraledande material.

Det 1 km lange, superledende AmpaCity-kabel åbnede i 2014 i Essen i Tyskland. Kablet bliver konstant nedkølet til ca. minus 200 grader vha. flydende kvælstof.

© Innogy

Ett supraledande material leder elektricitet helt utan motstånd, så att ingen el går förlorad längs vägen och omvandlas till värme. Motstånd i exempelvis kablar och ledningar kostar i dag samhället enorma mängder förlorad energi när el från exempelvis en vindkraftspark ute till havs ska transporteras in till land och fördelas till hus, lägenheter, fabriker med mera.

I februari kom ett banbrytande resultat från en europeisk forskargrupp ledd av den italienske fysikprofessorn Andrea Cavalleri. Resultatet fick fysiker runtom i världen att spetsa öronen. Det öppnar nämligen för en framtid med supraledande elkablar. Dessutom markerar forskarnas metod början på en ny era.

I dag måste alla material kylas för att bli supraledande. Ett kalium-kolmaterial har till exempel tidigare visat sig vara supraledande vid minus 253 grader.

När materialet träffades av laserpulser sattes emellertid materialets elektroner i koordinerade svängningar vid en betydligt högre temperatur, minus 173 grader, vilket innebär att el kan passera utan att förlora någon energi på vägen.

© M. Budden, MPSD

Laser gör fotbollar supraledande

Med hjälp av laserljus har forskare lyckats göra ett kolmaterial supraledande, vilket innebär att det leder el utan att någon energi går förlorad längs vägen, som i vanliga kablar. Supraledande kablar kan komma att fördela el från exempelvis solceller och vindkraftverk snabbt och förlustfritt runtom i världen.

Forskarna hoppas nu att laserpulserna ska bli den omvandlande kraft som kan föra oss närmare deras drömmaterial, ett ämne som är supraledande vid rumstemperatur.

Det slutar dock inte där. Fysikerna har redan satt upp ännu större, eller rättare sagt mindre, mål. De tänker nämligen manipulera ämnenas form ända ner till atomnivå.

Ljus kan styras med hjälp av vridning

Eventuellt behövs varken el eller laserljus för att trolla fram nya egenskaper hos kända material. De kan kanske formas på helt nya sätt.

I dag kan fysiker manipulera atomers och molekylers fysiska form.

Metoden kan spåras tillbaka till år 2004, då fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov gjorde en Nobelprisvinnande studie, där de isolerade en atomtunn flaga av kolatomer, det första tvådimensionella materialet.

Upptäckten av detta ämne, som fick namnet grafen, ledde till ett helt nytt forskningsområde, specialiserat på tvådimensionella material.

Och nu har 2D-forskarna upptäckt att när de använder de atomtunna flagorna som byggklossar, så får ämnena helt nya egenskaper.

VIDEO: Fysiker bygger nya material med atomtunna ”byggklossar”.

Fysikerna vrider de tvådimensionella materialen och lägger dem i lager, som även de är vridna i förhållande till varandra. Därför har metoden fått namnet twistronics. Olika vinklar får fram olika egenskaper, vilket en internationell forskargrupp drog nytta av år 2020.

En ljusglimt sprids normalt åt alla håll, precis som vågor i vattnet sprids i allt större cirklar när man kastar en sten i en sjö.

Nu kan emellertid ljuset styras. När forskarna placerade två vridna, atomtunna lager av kristallen molybdentrioxid på varandra, bildade nämligen elektronerna i ämnet tunna kanaler, som ljusvågorna följde.

Normalt sprids ljus i alla riktningar, men nu har forskare lyckats styra ljuset i en stråle genom att vrida två atomtunna lager av kristallen molybdentrioxid i förhållande till varandra. Tekniken kan användas i datorer som använder ljus i stället för el. De skulle både bli snabbare och kräva mindre el.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Förskjutna, atomtunna flagor staplas på varandra

Forskarna staplar två stycken cirka 100 nanometer tjocka flagor av ämnet molybdentrioxid, som i dag bland annat används vid framställning av rostfritt stål. När den översta flagan förskjuts i förhållande till den nedersta förändras materialets egenskaper.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Elektroner skapar kanal

Om de två lagren förskjuts i förhållande till varandra påverkar elektronerna varandra, så att det bildas en kanal längs det dubbla lagret. I kanalen ”fångas” ljus av en viss våglängd, som följer vinkeln mellan lagren.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Ljusglimt följer kanal

En mikroskopisk antenn avger en glimt av infrarött ljus. I normala fall skulle ljuset spridas i alla riktningar, men elektronkanalen hindrar spridningen och styr i stället ljuset i en tunn stråle.

Forskarna hoppas att deras grundforskning kan leda till ny ljusbaserad teknik, exempelvis så kallade optiska datorer, som i stället för el använder ljus för beräkningar och lagring av data. Tända och släckta transistorer skulle då utgöra de ettor och nollor som datorernas digitala ”språk” består av.

Ljus kan tändas och släckas snabbare än vad el kan släppas på och brytas, och det till och med utan att avge någon energi i form av värme. I dag avger elen i våra datorer stora mängder värmeenergi, vilket gör att de behöver kylas. Denna gigantiska energiförbrukning innebär bland annat att världens datacentraler förbrukar närmare 500 terawattimmar, eller två procent av världens totala elförbrukning.

Ljusdatorer kan alltså bli både snabbare och mer energieffektiva än dagens datorer.

Fysikerna nöjer sig emellertid inte med de atomtunna flagor som kanske kan ge oss optiska datorer. Nästa mål är att skära flagor av ämnen ända ner till kedjor, så kallade nanotrådar. I dessa trådar tror forskarna att elektronerna kan styras med ännu högre precision än i flagorna.

Charles Marcus fra Københavns Universitet i Danmark skaber nye materialer af de såkaldte nanotråde, der kan bruges til at konstruere kvantecomputere.

© Niels Bohr Institutet

Vår tids alkemister verkar i forskningens utkanter. De förstår ännu inte helt teorierna bakom vad som händer när ämnen påverkas med elektricitet eller laserljus, eller utformas med twistronics.

Fysikerna vet att elektronernas dans i princip kan beskrivas med kvantfysik, men det är lättare sagt än gjort.

Vetenskapen har alltid varit ett samspel mellan teori och experiment. De nya alkemisterna ägnar sig åt experiment, medan teorin försöker hänga med. Varje experiment för emellertid fysikerna lite närmare en förståelse av hur den kvantfysiska nivån fungerar.

Därmed håller fysikerna på att öppna dörren till en ny era av ”kvantalkemi”, där praktiskt taget alla ämnen kan manipuleras till att bete sig så som vi vill, ända till gränsen för vad kvantmekaniken tillåter.