Konsten att skapa nya material bygger på kunskap och styrning

Ny material byggs upp atom för atom - på datorn

Av Jan-Ivar Askelin

Material. Det låter ungefär lika upphetsande som pappersinsamling. Materialforskarna på FOA tycker naturligtvis att det är mer spännande än så.

-Material är ju något vardagligt, säger forskaren Steven Savage och känner på sitt bord av trä och sitt dokumentskåp av plåt. Allt är ju material. Det är självklart att vi inte tänker på det.

Som till exempel att de stora skedena i människans utveckling uppkallats efter material. Stenålder, järnålder, bronsålder. Ett nytt material blev så avgörande för utvecklingen att materialet kom att prägla viktiga skeden.

Något på skämt kom vi senare att tala om plaståldern. Men vem kan tänka sig en värld utan plast. Nu talar vi om dataåldern. Utan att tänka på att en förutsättning för dataåldern, informationsrevolutionen är materialforskarnas insats. Centrum för datarevolutionen, Silicon Valley är ju uppkallat efter ett material, kisel som idag är ett av de mest undersökta grundämnena. Utan de rätta materialen skulle inte de elektriska komponenterna på de integrerade kretsarna fungera och utvecklas. Och den utvecklingens framtid ligger bl a i att förstå egenskaperna i kiselkristallen och se möjligheter hos andra material.

Stål och krut är båda material
Gamla svenska exportsuccéer som stålindustrin och Asea är frukter av materialkunskap. Man måste in i stålets innersta för att hitta ett stål som biter och Aseas framgångar med att kunna generera och leda stora mängder elektrisk energi över stora avstånd handlade mycket om att hitta ett material som minimerade energiförlusterna i ledningen.

För Steven Savage är allt material. För många av oss andra är väl material sådant som trä, glas och stål.

- Men säger, Steven Savage, stål och krut är båda material. Stålet är konstruktionsmaterial och krutet energetiskt material. Det finns en tredje grupp, funktionella material som t ex piezoelektriska kristaller, metaller som minns sin ursprungliga form osv. Ibland är gränserna mellan dessa områden klara, ibland mer flytande. Man kan bygga båtar av glasfiber, men även göra glasfibern i tunna fibrer som kan användas till supertelekablar eller som sensorer för att mäta t ex tryck och temperatur.

Forskarna har blivit mer ödmjuka
- Materialforskaren har traditionellt omgetts av mystisk glans, säger Savage. Om någon skulle lyckas att göra guld så var det han. Och det var väl det närmaste gud man kunde komma som människa. Idag har synen på materialforskaren förändrats och det finns en större ödmjukhet hos forskarna själva. Vi har förstått att vår sk vetenskap byggt på mer tro än vetande. Saker som vi sagt vara självklara har inte haft något stöd av naturlagarna.

Gårdagens forskning präglades mycket av mer av slumpen, säger Savage. Idag är kontrollen bättre och det kommer fram nya material på löpande band.

-Förr stod man plötsligt med ett material och undrade om det fanns någon användning för detta. Ibland var ju användningen uppenbar som när ett glas råkade falla i golvet - och det höll. Nyttan av aluminium upptäcktes på liknande sätt. En tysk forskare prövade om en process kunde göra aluminium hårt. Inget hände och han slängde ut provet på sophögen. Efter några dar tittade han av en slump på provet och det hade härdat. Det hade bara tagit längre tid än vad han hade trott.

Men idag skapar vi material efter behovet. Savage menar att det till stor del handlar om en attitydförändring hos såväl användare som hos forskare. Ny teknik, forskning och hjälpmedel har också gjort denna attitydförändring möjlig. Den innebär att t ex militären som vill ha en ny stridsvagn inte längre utgår från att den ska bestå av existerande material.

- De utgår från funktionen, vad vagnen får väga, vilket skydd den ska ha, beväpning, hastighet sensorer osv. Nästa fråga blir vilka krav det ställer på materialet i fråga om vikt och styrka. Därefter frågar man sig om det materialet finns. Och om det inte finns, om det går att skapa.

Nya material atom för atom - på datorn
Forskarna vågar inte längre lika bestämt påstå att ”det är omöjligt”.

-För tjugo år sedan var supraledare ett dött fält, säger Savage. För att få ett material att kunna leda ström utan förluster så krävdes temperaturer nära absoluta nollpunkten. Idag har vi kommit hundra grader närmare rumstemperaturen och utvecklingen fortsätter även om det är en bra bit kvar.

Materialvetenskapen är nu en vetenskap i sig och i den ingår fysik, kemi, matematik och kanske metallurgi. Förr var uppdelningen mellan t ex fysiker och kemister mycket klar och även kemister separerades i olika fack. Som all annan vetenskap och teknik har datorutvecklingen betytt mycket för materialforskarna.

- Med datorer kan vi styra och kontrollera processer på ett helt annat sätt än förr, säger Savage. Vi kan till och med konstruera nya material atom för atom med hjälp av dator och vi har sådana fina instrument att vi kan se enskilda atomer på en yta.

- Vi har kommit så långt att vi till och med kan lura naturens egna lagar, de sk jämviktslagarna, säger Savage. Att en spik rostar när en utsätts för luft och fukt i lämplig blandning är något som sker enligt en jämviktslag. Järnet oxiderar och går in i ett nytt stadium. Genom att göra processerna att framställa material på ett annat sätt än vad jämviktslagarna tänkt sig kan vi åstadkomma oväntade saker, som t ex att göra diamanter med hjälp av en kyld stålplåt och en acetylenbrännare.

Det finns mycket att lära av hönan och spindeln
Och i morgon. Vad gör framtidens materialforskare?

- Vi kommer att se mer av atombygge på datorn och vi kommer också att kunna utgå från mer komplexa molekyler än idag. Det är molekyler som redan finns, men som vi inte kunnat göra så mycket åt säger Savage och fortsätter:

- En annan intressant väg är att se på naturens egna material. Hur naturen bygger upp material som ska ha olika egenskaper. Ett hönsägg ska vara starkt, vattentätt, släppa genom luft och ändå vara så sprött inifrån att kycklingen med sin svaga näbb kan hacka sig ut. Spindeln har inga ugnar eller datorer. Men med sin körtel tillverkar han bland det starkaste som finns, spindeltråden. Tekniken för att komma åt naturens hemligheter finns redan. Den består i att man plockar sönder ett material i sina enskilda lager och beståndsdelar och så försöker man att sätta ihop det igen.

Från FOA-tidningen nr 4-1997 - www.foi.se/framsyn