Mye av dagens teknologi inneholder materialer som er lite bærekraftige.  

Ved å kombinere kvantefysikk, maskinlæring og systematiske søk i materialbibliotek, har forsker Elin Dypvik Sødahl funnet organiske materialer som kan erstatte tungmetaller i teknologien vi omgir oss med til daglig. 

I sin forskning har hun studert på hvordan krystaller av molekyler kan ha såkalte ferroelektriske egenskaper.

– Ferroelektriske materialer er materialer som har en indre elektrisk retning. Litt på samme måte som en magnet, som har en magnetisk retning, sier Sødahl.

Materialene hun snakker om, er viktige komponenter i mye av teknologien vi bruker hver eneste dag, som mobiltelefoner, PC-er og biler. De brukes også i medisinsk utstyr, som ultralydapparater.

Organiske molekyler kan være mer bærekraftige byggesteiner enn atomer

Typiske ferroelektriske materialer er ofte laget av tungmetaller som bly. I tillegg til at de kan være giftige, krever det mye energi å produsere disse materialene. 

Et mer bærekraftig alternativ kan være å bruke organiske molekyler som byggesteiner istedenfor atomer. Da trenger man verken tungmetaller eller dyre produksjonsprosesser.

– Et stort problem med slike molekylmaterialer er at de ofte er sprø og vanskelige å forme. Derfor blir de brukt lite i teknologi, sier Sødahl.

Heldigvis finnes det en type molekylmaterialer hvor dette ikke er et problem.

– Hvis molekylene er små og kompakte, kan de begynne å snurre rundt og oppføre seg nærmest som små kuler når de varmes opp, sier Sødahl. 

Dette er en hva hun kaller en faseovergang. Det er litt som når is smelter og blir til vann. Materialet er fremdeles et fast stoff, men nå kan det formes på samme måte som metaller. 

Det kalles derfor plastiske krystaller, som ikke må forveksles med plast. 

Må fungere i romtemperatur

I denne faseovergangen slutter materialene å være ferroelektriske. For mange materialer skjer dette under romtemperatur. 

Hvis vi vil utnytte de ferroelektriske egenskapene til molekylkrystallene, må vi finne materialer der faseovergangen skjer ved relativt høye temperaturer. Det vil si høyere enn romtemperatur. Ellers forsvinner egenskapene vi ønsker å utnytte. Da fungerer ikke teknologien som ønsket.

Sødahl trekker frem teknologi vi bruker hver dag som eksempel.

– PC-er og mobiler blir varme når vi bruker dem og når de lader. Det skjer også hvis vi bruker dem ute i varmt vær. Da burde temperaturen der molekylene begynner å snurre være godt over temperaturene vi forventer å bruke pc-en eller mobilen i, sier Sødahl.

Leter etter materialene i database

Selv om disse materialene har stort teknologisk potensial, så vet vi ikke om så mange slike plastiske krystaller med ferroelektriske egenskaper. 

Men det finnes hundrevis av små, kompakte molekyler som kan kombineres på ulikt vis til å lage plastiske – altså formbare – krystaller. 

For å finne flere gjennomførte Sødahl og kollegaene hennes et grundig søk gjennom materialbiblioteket Cambridge Structural Database. Dette biblioteket inneholder over en million organiske materialer. Bare rundt 70 er merket som ferroelektriske.

– I vår studie fant vi over 50 nye lovende materialer. Sammen med forskere ved Universitetet i Oslo har noen av disse blitt laget på labben. Foreløpig har de påvist at et av de vi fant, har de ferroelektriske egenskapene vi forventet, sier Sødahl.

Alle ferroelektriske materialer har såkalte piezoelektriske egenskaper. Det er dette som gjør at materialene egner seg i sensorer og ultralydapparater. 

Dette er materialer hvor det det dannes elektriske felt i materialet når man trykker på det. For eksempel kan det elektriske signalet fra en slik sensor utløse airbagen i en bil ved et krasj.

Sødahl brukte kvantemekaniske beregninger på superdatamaskiner til å undersøke de piezoelektriske egenskapene til et utvalg av plastiske krystaller. Dette viste at noen av materialene hadde svært god piezoelektrisk respons til vridning, nettopp fordi molekylene i materialet roterer når man vrir på materialet.

Sparer tid med maskinlæring

Vi vet ikke så mye om faseovergangen der molekylene begynner å snurre og de ferroelektriske egenskapene forsvinner. Derfor var Sødahl og kollegaene hennes interesserte i å finne ut om de kunne bruke beregninger til å finne ut ved hvilke temperaturer dette skjer uten å måtte måle det i labben.

– Siden materialet ikke lenger er ferroelektrisk i faseovergangen, er dette helt sentralt for om materialet kan brukes i teknologi, sier Sødahl.

Denne typen beregninger tar veldig lang tid om man gjør det på den vanlige måten. Derfor brukte hun maskinlæring for å erstatte dyre kvantefysiske beregninger. Hun fant ut at denne metoden er godt egnet til å beregne temperaturen der faseovergangen skjer.

– Ved å kombinere ulike molekyler i datamaskinen for finne ut hvilke som er best egnet for ulike teknologiske anvendelser, kan de som lager materialene fokusere kun på de mest lovende materialene, sier Sødahl.

– Hvis vi kombinerer kvantefysikk, maskinlæring og systematiske søk i materialbibliotek kan vi fremskynde oppdagelsen og utviklingen av bærekraftige materialer som kan brukes i teknologi. Dette betyr at vi kan fortsette å bruke tilsvarende teknologi som i dag, men likevel bruke mindre energi, sier Sødahl.

Referanser:

Elin Dypvik Sødahl: Molekylære ferroelektriske plastiske krystaller: Beregningsbasert modellering og oppdagelse. Doktoravhandling ved NMBU, 19. april 2024. Les mer om disputasen.

Elin D. Sødahl, Julian Walker og Kristian Berland: Piezoelectric Response of Plastic Ionic Molecular Crystals: Role of Molecular Rotation. Cryst. Growth, 2023. Doi.org/10.1021/acs.cgd.2c00854

Elin Dypvik Sødahl mfl.: Ferroelectric Crystals of Globular Molecules: Cambridge Structural Database Mining and Computational Assessment. Cryst. Growth, 2023. Doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00713

Artikkelen er produsert og finansiert av NMBU Norges miljø- og biovitenskapelige universitet

NMBU er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Les også disse sakene fra NMBU:

• 

  Nobelprisvinner: – Barn bør lære kjemi fra førsteklasse

• 

  Pass deg for fullmånen: Patte­dyr i tropiske skoger unngår lyset

• 

  Gruvedrift i Kongo fører til stor avskoging

• 

  Norske forskere har oppdaget noe helt nytt om bakterier og klimagasser

• 

  Forskere har utviklet en ny type Manchego-inspirert geitost

• 

  Spesialtilpasset fôr ga mindre utslipp i oppdrettsanlegg

Les flere saker fra NMBU her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER