Nye alkymister tryller fram superstoffer

I middelalderens mørke laboratorier forsøkte alkymister å trylle bly om til gull. I dag er det fysikere som – takket være dansende elektroner – gir oppsiktsvekkende egenskaper til ellers anonyme materialer. De moderne alkymistenes banebrytende forsøk kan blant annet gjøre solceller 1000 ganger tynnere.

I middelalderens mørke laboratorier forsøkte alkymister å trylle bly om til gull. I dag er det fysikere som – takket være dansende elektroner – gir oppsiktsvekkende egenskaper til ellers anonyme materialer. De moderne alkymistenes banebrytende forsøk kan blant annet gjøre solceller 1000 ganger tynnere.

Året er 1669. Tyskeren Hennig Brand koker urin som han har samlet inn hos naboene sine, til det blir tyktflytende og avgir en rødlig olje. Han fjerner saltet fra den innkokte urinen og tilsetter oljen igjen.

Brand varmer opp blandingen til selvlysende damper plutselig kommer til syne, og en selsom væske drypper ut av kolben.

Han samler opp den varme væsken i en beholder med kaldt vann, der den avgir et grønnlig lys. Han tror at han har løst en årtusengammel gåte: at han har funnet substansen kjent som de vises stein og nå kan forvandle ethvert metall til gull.

Hennig Brand var en av historiens alkymister. Med kreative miksturer i boblende kolber prøvde alle slags mystikere og protokjemikere å knekke naturens koder og forvandle vanlige materialer til verdifulle substanser.

Alkymistenes forsøk slo feil. De kjente nemlig ikke til grunnstoffene og den moderne kjemien. Til gjengjeld overlevde mange av metodene de utviklet, og de har kjemikere brukt i århundre.

I 1669 trodde den tyske alkymisten Hennig Brand at han hadde isolert de vises stein fra urin. Det var ikke tilfellet, men metoden hans – destillasjon – blir brukt av kjemikere den dag i dag.

© Joseph Wright Gallery

Og nå står en ny generasjon av alkymister klare: fysikerne.

Metoder fra fysikkens verktøykasse blir i dag brukt til å forvandle tilsynelatende kjedelige stoffer som for eksempel svovelkis eller det blylignende metallet molybden – og gi dem teknologiske superkrefter.

Dermed holder de moderne alkymistene samtidig på å forkaste et grunnpremiss i den moderne kjemien: at hvert stoff har faste egenskaper man kan slå opp i en bok for å finne. Snart er det ikke grenser for hva fysikerne kan skape – alt fra superledende strømkabler av karbonmaterialer til kroppsvarmedrevne telefonlader og kvantedatamaskiner.

Fysikere lurer stoffene

Middelalderens alkymister baserte eksperimentene sine på Aristoteles' lære: at allting består av jord, luft, ild og vann. Alkymistene forsøkte å forvandle stoffer ved å endre på det de trodde var forholdet mellom de fire elementene.

I 1772 rystet den franske vitenskapsmannen Antoine Lavoisier alkymiens verden.

Han påviste at vann består av hydrogen og oksygen. Teorien om de fire grunnelementene måtte droppes til fordel for en ny teori om grunnstoffene.

Siden den gang har kjemikere systematisert stoffene i det periodiske systemet, og inntil nylig var eksperimenter med stoffene kjemikernes domene.

Men nå holder fysikere på å endre spillereglene. Det forklarer Denys Bondar, som er fysiker ved Tulane University i USA.
«I århundrer forsøkte alkymister forgjeves å forvandle bly til gull. Men hva hvis vi i stedet for å gjøre et materiale om til et annet kunne «narre» blyet til å oppføre seg som gull? « spør han.

Fysikerne «lurer» materialene ved å manipulere med elektroner og få dem til å flytte seg i takt, noe som særlig skjer via tre metoder: strøm, lys og en spesiell måte å manipulere stoffers fysiske form på kalt twistronics.

Chris Leighton fra University of Minnesota er blant de nye utøverne av alkymi. Forskergruppen hans har spesialisert seg på hvordan strøm kan få stoffer til å forandre egenskaper.

Forskerne skapte overskrifter på slutten av fjoråret, da de eksperimenterte med mineralet pyritt – også kjent som svovelkis eller narregull, fordi det ligner på gull, men er verdiløst i sammenligning.

Hva hvis vi i stedet for å gjøre om et materiale til et annet kunne «lure» bly til å oppføre seg som gull? Denys Bondar, fysiker

Normalt er ikke narregull magnetisk, akkurat som for eksempel treverk. De amerikanske fysikerne satte elektroder på narregull, senket det ned i et metallisk kar med en væske som inneholdt ioner – partikler med elektrisk ladning – og skrudde på strømmen.

Elektroner fra det elektriske kretsløpet strømmet inn i pyritten og samlet seg nær ved overflaten, mens ioner med positiv ladning i væsken samlet seg like over.

De to ordnede lagene, negativt ladet og positivt ladet, ga spontant narregullet magnetiske egenskaper.

Aldri tidligere har fysikerne på denne måten «skrudd på» magnetismen i et ikke-magnetisk materiale. Chris Leighton og kollegene har derfor det travelt med å bygge videre på forsøkets resultater.

Han forteller til Illustrert Vitenskap at teamet særlig ser på narregull som et materiale som kan brukes til ekstremt tynne solceller fordi det kan ta opp 1000 ganger mer sollys enn silisium, som solceller i dag vanligvis blir produsert av.

Mineralet pyritt, kjent som narregull, er ikke magnetisk. Men nå har en svak strøm «skrudd på» magnetismen i stoffet. Forskerne som står bak forsøket, mener teknikken kan utnyttes i nye solceller, som tar opp mer sollys og samtidig er mye tynnere enn i dag.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Narregull blir koblet til kretsløp

Forskere forsyner en pyritt-krystall med elektroder og senker den ned i et metallisk kar med en ionisk væske – en form for flytende salt som består av molekyler med positiv og negativ ladning: ioner.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Strøm får ioner til å samle seg

Fysikerne skrur på en strøm mellom karet og pyrittkrystallen, noe som får de positive ionene i væsken til å samle seg rundt om pyritten. Som motsvar samler elektroner, som har negativ ladning, seg inne i pyritten, like under overflaten.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Magnetisme oppstår ved overflaten

De to lagene av negative og positive ioner gjør pyritten magnetisk. Forskerne kan «skru av» og «skru på» pyrittens magnetisme ved å skru strømstyrken opp og ned.

Den begrensende faktoren har så langt vært at narregull ikke er effektivt nok til å gjøre om alt sollyset til strøm.

Det kan gjennombruddet i Minnesota endre på. Siden forskerne nå vet at de elektriske ladningene ved overflaten av narregullet – som gjorde mineralet magnetisk – kan manipuleres ved hjelp av strøm er veien banet for å fintune narregullets elektriske ledeevne, slik at det kan overta rollen silisium når har i solcellene.

Laserlys forvandler materialer

Den moderne alkymien er et forskningsfelt i eksplosiv vekst. Og en av de aller mest lovende nye grenene tar for seg lys, med sin tilsynelatende magiske evne til å forvandle stoffer.

Fysikere har lenge visst at lys kan påvirke atomer og molekyler ved for eksempel å bryte kjemiske bindinger.

Vi får et materiale til å oppføre seg som et annet ved å stimulere det med laser. Mark Rudner, fysiker

Nå har forskerne oppdaget at pulser av laserlys med den rette varigheten og bølgeformen kan forandre grunnleggende egenskaper – for eksempel hvordan et materiale leder strøm. Og nøkkelen er elektroner.

Et atom består av en atomkjerne omgitt av et antall elektroner, og i faste stoffer er det elektronene som dikterer mange av stoffets egenskaper. I et metall arrangerer atomene seg for eksempel i et krystallgitter, der hvert atom avgir en eller to av sine ytterste elektroner til krystallen som helhet.

Disse elektronene kan bevege seg fritt rundt i gitteret, noe som for eksempel gjør metaller gode til å lede elektrisitet og gir dem glans og ugjennomsiktighet.

Hvis man kan kontrollere elektronene, kan man kontrollere stoffets egenskaper.

Og det er her de ultrakorte laserpulsene kommer til sin rett. De kan nemlig få elektronene til å bevege seg på en koordinert måte, slik at de «danser i takt».

Laserlysets evne til å koordinere elektronenes bevegelser blir særlig brukt i jakten på de såkalte superledende materialene.

Det 1 kilometer lange superledende AmpaCity-kabelen åpnet i 2014 i Essen i Tyskland. Kabelen blir hele tiden nedkjølt til om lag minus 200 grader ved hjelp av flytende nitrogen.

© Innogy

Et superledende materiale kan lede strøm helt uten motstand, slik at ingenting av strømmen går tapt og blir gjort om til varme. Motstand i for eksempel kabler og ledninger koster i dag samfunnet enorme mengder tapt energi, når strøm fra for eksempel en vindmøllepark på havet skal transporteres i land og fordeles ut til hus, leiligheter, fabrikker og så videre.

I februar kom et banebrytende resultat fra en europeisk forskergruppe ledet av den italienske fysikkprofessoren Andrea Cavalleri. Resultatet fikk fysikere i hele verden til å spisse ørene fordi det åpner døren for en framtid med superledende strømkabler. Dessuten markerer forskernes metode begynnelsen på en ny tidsalder.

Alle materialer må i dag kjøles ned for å bli superledende, for eksempel har et kalium-karbon-materiale tidligere vist seg å være superledende ved minus 253 grader.

Men når laserpulser traff materialet, ble elektronene satt i koordinerte svingninger ved en mye høyere temperatur – minus 173 grader – noe som innebar at strøm kunne passere igjennom helt uten å tape energi på veien.

© M. Budden, MPSD

Laser gjør fotballer superledende

Forskere har takket være laserlys gjort et karbonmateriale superledende, altså at det leder strøm uten at energi går tapt underveis som i normale strømkabler. Superledende kabler kan komme til å fordele strøm fra for eksempel solceller og vindmøller raskt og tapsfritt rundt på kloden.

Dermed er håpet blant forskerne at laserpulser blir den forvandlende kraften som kan bringe oss nærmere drømmematerialet sitt – et stoff som er superledende ved romtemperatur.

Men det stopper ikke der. Fysikerne har allerede satt seg enda større – eller rettere sagt mindre – mål: De vil manipulere med selve stoffenes form helt ned på det atomære nivået.

Lys kan styres med en tvist

Kanskje er det verken nødvendig å bruke elektrisitet eller laserlys til å trylle fram nye egenskaper i kjente materialer – kanskje kan de rett og slett formes på helt nye måter.

I dag kan fysikere manipulere med selve atomene og molekylenes fysiske form.

Metoden kan spores tilbake til 2004, da fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov utførte et nobelprisvinnende forsøk der de isolerte et atomtynt flak av karbonatomer – det første todimensjonale materialet.

Oppdagelsen av stoffet, som fikk navnet grafen, fødte et helt nytt forskningsfelt spesialisert på 2D-materialer.

Og nå har 2D-forskerne oppdaget at når de bruker de atomtynne flakene som byggeklosser, oppstår det helt nye egenskaper i stoffene.

VIDEO: Fysikere bygger nye materialer med atomtynne «byggeklosser»

Fysikerne vrir 2D-materialene og legger dem i lag som er skjeve – «tvistet» – i forhold til hverandre, og derfor har metoden fått navnet twistronics. Ulike vinkler gir ulike egenskaper, og det utnyttet en internasjonal forskergruppe i 2020.

Et lysglimt vil typisk spre seg ut i alle retninger, akkurat som bølger i vannet brer seg ut i stadig større sirkler hvis man kaster en stein i en sjø.

Men nå kan lyset styres. Da forskerne la to atomtynne lag av krystallstoffet molybdentrioksid vridd ovenpå hverandre, dannet elektronene i stoffet nemlig tynne kanaler som lysbølgene fulgte.

Normalt brer lys seg til alle kanter, men nå har forskere styrt lyset i en stråle ved å vri to atomtynne lag av krystallen molybdentrioksid i forhold til hverandre. Teknologien kan brukes i datamaskiner som bruker lys i stedet for strøm – og derfor er raskere og bruker mindre strøm.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Atomtynne flak stables skjevt

Forskerne stabler to flak på om lag 100 nanometers tykkelse av stoffet molybdentrioksid, som i dag for eksempel brukes i produksjonen av rustfritt stål. Når det øverste flaket vris ift. den nederste, endrer dobbeltlaget egenskaper.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Elektroner skaper kanal

Hvis de to lagene vris i forhold til hverandre, påvirker elektronene hverandre, slik at en form for kanal på langs av dobbeltlaget oppstår. Kanalen kan «fange» lys med en bestemt bølgelengde, som endres i forhold til vinkelen mellom lagene.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Lysglimt følger kanal

En mikroskopisk antenne sender ut et glimt av infrarødt lys. Normalt ville lyset spre seg ut til alle kanter, men elektronkanalen forhindrer lyset i å spre seg og styrer det i stedet i en tynn stråle.

Forskerne håper at denne grunnforskningen kan føre til ny lysbasert teknologi – for eksempel såkalte optiske datamaskiner som bruker lys til å lagre data og utføre beregninger i stedet for elektrisitet, som i dag, når strøm som skrus av og på utgjør 1-tall og 0-tall som datamaskinenes digitale «språk» består av.

Lys kan skrus av og på raskere enn strøm og uten å avgi energi i form av varme. I dag avgir strømmen i datamaskiner store mengder varmeenergi, som igjen krever nedkjøling. Det gigantiske energiforbruket betyr blant annet at verdens datasenter forbruker opp mot 500 terawattimer, 2 prosent av verdens samlede strømforbruk.

Lysdatamaskiner kan altså bli både raskere og mindre strømslukende enn de datamaskinene vi kjenner i dag.

Og fysikerne stopper ikke ved de atomtynne flakene som kan gi oss optiske datamaskiner. Neste mål er å skjære flakene av stoffer helt ned til kjeder, også kalt nanotråder. I trådene mener forskerne at elektroner kan styres enda bedre enn de kan i flak.

Charles Marcus fra Københavns Universitet i Danmark skaper nye materialer av de såkalte nanotrådene som kan brukes til å konstruere kvantedatamaskiner.

© Niels Bohr Institutet

De nye alkymistene beveger seg på grensen av det forskningen forstår: De har fortsatt ikke den fulle teoretiske forståelsen av akkurat hva som skjer når stoffer blir påvirket med strøm eller laserlys eller utformet med twistronics.

Fysikerne vet at elektronenes dans i prinsippet kan beskrives ved hjelp av kvantefysikk, men det er lettere sagt enn gjort.

Vitenskapen har alltid vært et samspill mellom teori og eksperimenter. De nye alkymistene beveger seg i den eksperimenterende verden, mens teorien forsøker å følge med. Hvert eksperiment fører fysikerne litt nærmere en forståelse av hvordan det kvantefysiske nivået fungerer.

Dermed holder fysikerne på å åpne døren til en ny tidsalder av kvantealkymi, der hvert eneste stoff i prinsippet kan manipuleres til å oppføre seg akkurat som det er behov for – helt til grensene til det kvantemekanikken tillater.