Varifrån kommer energin i Air-gen?

Så här tycker craiyon.com att
"generating electricity from water vapor"
ser ut.

 Tidigare i år kunde man läsa i Ny Teknik att forskare vid University of Massachusetts Amhurst hittat ett sätt att utvinna elektricitet ur tomma luften, en effekt de döpt till Air-gen. (Deras studie finns publicerad i tidskriften Advanced Materials, bakom betalvägg). Det sker med hjälp av en tunn film eller ett tunt skikt full av små, små hål - bara 100 nm i diameter. När skiktet placeras så att ena sidan är i kontakt med den omgivande luften och andra sidan är inkapslad bildas en skillnad i elektrisk potential mellan de två sidorna. Den skillnaden kan användas för att generera elektrisk ström. Resultaten är en vidareutveckling av forskargruppens tidigare arbete med tunna skikt av proteintrådar, men med skillnaden att de nu kommit på att man kan använda praktiskt taget vilket material som helst så länge hålen är av rätt storlek.

Energi ur tomma luften kan lätt låta för bra för att vara sant, men de här resultaten har genomgått peer review och publicerats i en vetenskaplig tidskrift. Så hur funkar detta egentligen? Och var kommer energin ifrån?

Det första man får tänka på här är att tomma luften, om man ska vara petnoga, inte är särskilt tom. Air-gen-effekten är beroende av luftfuktigheten, alltså den vattenånga som är en beståndsdel i vanlig luft. Redan i den första artikeln, den med proteintrådarna, såg man att den sida av det tunna skiktet som är i kontakt med luften tar upp ganska mycket vattenånga, men att mängden vatten avtar när man närmar sig den andra sidan av skiktet. Genom olika experiment kunde forskarna visa att det inte bara handlade om korrelation utan om ett orsakssamband, och att skiktets yttre yta får en svag elektrisk laddning. På något sätt ger alltså vattenångan skiktets yta en elektrisk laddning. Men hur?

En vanlig vattenmolekyl med två väte och ett syre, H₂O, är totalt sett elektriskt neutral. Om den bara landar på det tunna skiktets yta och stannar där kan den alltså inte tillföra någon laddning. Emellertid består inte vattenångan i luften, eller för den delen vatten i någon annan form, bara av vanliga vattenmolekyler. Den innehåller också OH^--joner* och H₃O⁺-joner, det vill säga dels joner med ett syre, ett väte och negativ laddning, dels joner med tre väte, ett syre, och positiv laddning. De här jonerna kan till exempel uppstå när två vanliga vattenmolekyler kolliderar och en vätejon, H⁺, spontant hoppar över från den ena till den andra. 

Om vi har vanliga vattenmolekyler, OH^--joner och H₃O⁺-joner i vattenånga och de kolliderar med det tunna skiktet lite slumpmässigt skulle det fortfarande inte hjälpa, eftersom vi då skulle få ungefär lika många positiva som negativa joner på ytan. Om det däremot var så att den ena sortens joner - säg de negativa - fastnade mer på ytan än de positiva skulle de negativa jonerna kunna samlas på ytan, medan de positiva släpper från ytan igen och far iväg. Forskarna bakom Air-gen refererar till en tidigare vetenskaplig artikel som beskriver just den typen av fenomen. Den tidigare artikeln beskriver också hur vanliga, elektriskt neutrala vattenmolekyler som landar på vissa typer av ytor spontant delar upp sig i positiva och negativa joner, samt hur olika egenskaper hos själva ytan leder till att positiva eller negativa joner stannar kvar på ytan eller far iväg.

Så det verkar som att det går att ge en yta elektrisk laddning bara med hjälp av vattenånga. Men vad är poängen med de små hålen? Enligt artikeln är de stora nog att släppa igenom vatten till den inkapslade sidan av skiktet, men små nog att vattenmolekylerna kommer att krocka med väggarna på vägen och därmed ha möjlighet att fastna på ytan och bidra till laddningen.

Här nånstans kan det vara på sin plats att nämna att flera mer populärvetenskapliga beskrivningar av Air-gen (t.ex. den här) är lite otydliga med om Air-gen faktiskt använder vattenånga, alltså enskilda vattenmolekyler eller små kluster av vattenmolekyler, eller om det handlar om vattendroppar som oftast är mycket större. Det verkar också som om forskarna själva jämför Air-gen med hur statisk elektricitet byggs upp i åskmoln genom krockar mellan vattendroppar, hagelkorn och iskristaller. Såvitt jag kunnat se i artiklarna är det framför allt vattenånga som ger själva Air-gen-effekten.

Men åter igen - var kommer själva energin ifrån? Det mesta verkar komma från vattenmolekylernas rörelseenergi, det är ju de som behöver krocka för att bilda joner, krocka med ytan, etc., för att inte tala om att vattenmolekylerna behöver vara närvarande i form av vattenånga istället för flytande vatten eller is. Rörelseenergin hos atomer och molekyler kallas också termisk energi, eftersom vi uppfattar den som värme (atomer och molekyler i varm luft har mer rörelseenergi än i kall luft, t.ex.). Den största källan till termisk energi för jordens atmosfär är, som man kanske kan gissa, solen. Air-gen verkar alltså leverera energi från solen, fast på omvägar.

*Joner är atomer eller molekyler som antingen fått eller blivit av med en eller flera elektroner, vilket gör att de blir elektriskt laddade.

Magneter, armar och svajiga elektronmoln

 

På sistone har jag haft en känsla av att vara inne på upploppet när det gäller pandemin. Äldre familjemedlemmar, vänner, och kollegor har under den senaste månaden eller så börjat rapportera om sin första vaccinspruta och mer eller mindre biverkningar efter den (oftast mindre, verkar det som). Kanske kan jag också få min första spruta innan sommaren är slut.

Nu är det ju inte alla som ser sprutan som en länge efterlängtad mållinje som det ska bli skönt att passera. En vän gjorde mig uppmärksam på att några av de människor som tror att vaccinet innehåller mikrochip, mystiska nanopartiklar och andra märkligheter tycker sig ha hittat ett sätt att visa detta för alla - med hjälp av kylskåpsmagneter. En av dessa människor verkar till exempel ha twittrat till Emma Frans om att flera personer lyckats få kylskåpsmagneter att fastna på sin vaccinerade överarm, som om det satt något magnetiskt under huden. Mikrochip? Nanopartiklar? Vad kan detta röra sig om?

Jag är synnerligen skeptisk till att de här personerna faktiskt har fått något metallföremål under huden under vaccinationen som får kylskåpsmagneterna att fastna, men det skulle mycket väl kunna vara så att man kan få magneter att fastna på huden utan mikrochip eller liknande. Jag testade detta med en magnet från min kylskåpsdörr. Jag har inga traditionella, tjocka kylskåpsmagneter utan bara såna som är tunna och lite böjliga. (Jag har inte heller en enda kylskåpsmagnet som inte har någon form av reklamtryck på sig, med det hör egentligen inte hit). Den här tunna magneten tryckte jag mot huden på höger överarm. När jag tog bort handen så... stannade magneten kvar! Likadant när jag tryckte den mot pannan - se bilden ovan - men jag kan garantera att jag inte har vare sig mikrochip eller någon annan metallpryl i pannan. Så kan vi hitta någon annan förklaring?

Ska man hindra ett föremål - som en kylskåpsmagnet - från att falla behöver man hålla det uppe med en kraft som motverkar tyngdkraften. Sätter du magneten på kylskåpet kommer den kraften att vara den magnetiska kraften som drar den in mot kylskåpsdörren*. Eftersom magneten stannar på min panna måste det finnas en kraft som drar den in mot huvudet och som är tillräckligt stark för att motverka tyngdkraften - men som sagt, det kan inte vara samma sorts magnetiska kraft som mellan magneten och kylskåpsdörren eftersom jag inte har nån plåt i skallen. Inte heller handlar det om statisk elektricitet som för en ballong man gnider mot håret och fäster i taket (i så fall borde jag ha fått en stöt vid något tillfälle) och jag har inte limmat fast den. Min bästa gissning som fysiker är att det handlar om en van der Waals-kraft, en svag kraft som kan uppstå mellan två ytor.

Precis allt - magneter, huvuden, kylskåp - består av atomer med tunga, positivt laddade atomkärnor omgivna av moln av lätta, negativt laddade elektroner. Elektronmolnet kan vara olika tätt i olika riktnignar och det avgör helt hur atomerna sitter ihop med varandra. Det kan ge upphov till olika typer av bindningar (nån kanske känner igen kovalent bindning och jonbindning från skoltiden?). Elektronmolnet kan svaja en del runt atomkärnan så att det blir tätare på ena sidan och glesare på den andra, och eftersom elektronerna är laddade gör det att den tätare sidan får en lite mer negativ laddning och den glesare blir lite mer positivt laddad. Om det finns en annan atom i närheten kan elektronmolnet runt den påverkas så att den också får en sida som blir lite mer negativt laddad och en som blir lite mer positivt laddad. Det uppstår då en svag kraft som drar den positiva sidan av den ena atomen till den negativa sidan av den andra, och det är det som kallas van der Waals-kraft.

Om man trycker en magnet mot pannan handlar det naturligtvis inte om enstaka atomer som påverkar varandra, utan om enorma antal atomer och molekyler på ytan av magneten och på huden. Med så många atomer och molekyler som bidrar kan till och med den svaga van der Waals-kraften bli tillräckligt stark för att hålla något litet och lätt, som en kylskåpsmagnet, uppe.

Men om den här kraften kan uppstå för vilka material som helst borde vi väl lägga märke till den oftare? Vi upplever ju inte att allt vi rör vid fastnar på oss som de här kylskåpsmagneterna verkar göra. Jag skulle tro att det har att göra med att van der Waals-kraften har väldigt kort räckvidd. De flesta som hanterat kylskåpsmagneter vet att man kan känna kraften mellan magneten och kylskåpet på åtminstone någon centimeters avstånd. van der Waals-krafter å andra sidan har så kort räckvidd att om den ena ytan är lite skrovlig kommer de inte tillräckligt nära varandra för att kraften ska bli märkbar, vilket förklarar varför vi normalt sett inte märker av den. När det gäller magneter och pannor hjälper det antagligen att ytan på en kylskåpsmagnet oftast är väldigt slät, och huden i pannan (eller på armen) är mjuk och ofta antingen lite fuktig eller fet. När man pressar magneten mot huden ger huden efter lite och formar sig efter magneten, medan fukt och/eller fett fyller ut ojämnheterna och skapar nära kontakt mellan de två ytorna. Med andra ord, perfekta omständigheter för att van der Waals-kraften ska bli märkbar. 

*Fast eftersom den drar vinkelrätt mot tyngdkraften får den ta en omväg via en friktionskraft. Förutom tyngdkraften som drar den neråt och den magnetiska kraften som drar den mot kylskåpsdörren kommer magneten också att påverkas av en friktionskraft som drar i motsatt riktning mot vilken kraft som än försöker få den att röra sig över ytan - i det här fallet kommer den att dra åt rakt motsatt håll jämfört med tyngkraften. Friktionskrafter kommer sig av att när två ytor glider mot varandra kommer ojämnheter på ytorna att "haka i" varandra och på det sättet hindra rörelsen, och ju mer man pressar ihop två ytor desto starkare blir friktionskraften (för fysiker: den statiska friktionskraften är proportionell mot normalkraften). Den magnetiska kraften håller alltså magneten uppe genom att göra friktionskraften starkare.

Krångliga kvantknuffar i rörig rapportering

På svt.se kan man sen i lördags kväll hitta en kort text och en tvåminuters video som berättar att forskare för första gången lyckats mäta effekten av mycket, mycket små kvantmekaniska "knuffar" eller fluktuationer på föremål i mänsklig storlek (istället för föremål av storleksordningen en eller några atomer, vilket är mer vanligt). Olyckligtvis är texten rätt virrigt skriven och blandar ihop flera olika kvantmekaniska effekter - videon är bättre, men rätt kort - så naturligtvis var min första reaktion att leta upp bättre källor för att förstå vad det egentligen är som har hänt.

Experimentet utfördes på Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO, en avancerad forskningsanläggning byggd för att mäta gravitationsvågor och därmed bekräfta vissa av Einsteins teorier samt studera kollisioner mellan svarta hål eller neutronstjärnor. Mätanläggningen på LIGO består bland annat av två långa tunnlar eller rör, i rät vinkel mot varandra och utrustade med speglar. Under mätningarna delar man upp en kraftfull laserstråle i två delar, en för varje tunnel. Laserstrålarna reflekteras mellan speglarna och kommer tillbaka till utgångspunkten, där de interfererar med varandra. Interferensen mellan de två laserstrålarna beror på skillnaden i längd mellan de två tunnlarna, så om längden på den ena eller andra tunneln ändras kan man se det genom att observera interferensen. Om en gravitationsvåg passerar kommer det att orsaka en liten, liten förändring i längderna på tunnlarna, och det är så man kan detektera den.

Trots allt detta finns det gränser för hur noga man kan mäta med LIGO, och en av de gränserna sätts av en kvantmekanisk princip kallad Heisenbergs osäkerhetsrelation. Heisenbergs osäkerhetsrelation säger att det finns vissa saker man inte kan mäta noggrant samtidigt för samma föremål. Det mest välkända exemplet är position och rörelsemängd (hastighet gånger massa), men det finns en liknande osäkerhetsrelation för energi och tid. Osäkerhetsrelationen och de kvantfluktuationer som är effekten av den påverkar mätningarna i LIGO framför allt genom fotonerna som utgör laserstrålen, på så sätt att både antalet fotoner och deras strålningstryck mot speglarna kan variera. (Strålningstryck är den kraft som en ljusstråle utövar på ett föremål den lyser på, en kraft som oftast är så svag att den inte märks - men i LIGO-mätningarna märks den.)Naturligtvis är det mer komplicerat än så i praktiken. Eftersom det är oerhört små förändringar det handlar om krävs det att man på olika sätt eliminerar alla andra källor till förändringar eller störningar. Bland annat pumpar man ut all luft ur tunnlarna för att få ett vakuum, och de flera kilo tunga speglarna är upphängda på ett speciellt sätt.

Experimenten med kvanteffekter i LIGO, som beskrivs i ett pressmeddelande och en artikel i Nature (finns också som så kallat preprint på Arxiv), syftade både till att mäta effekten av de här kvantfluktuationerna på speglarna och, kanske ännu viktigare, att utforska hur man trots osäkerhetsrelationen kan göra noggrannare mätningar. När det gäller effekten på speglarna kunde man mäta att kvantfluktuationerna som är kopplade till laserstrålen kunde flytta dem ungefär 0.00000000000000000001 m, vilket är vad man tagit fasta på i SVT:s rapportering, och man lyckades också bekräfta att det finns metoder som kan tänja gränserna för mätnoggrannheten i LIGO.

Så vad var egentligen problemet med SVT:s beskrivning? Framför allt, skulle jag säga, att de verkar blanda ihop flera olika kvanteffekter. Både videon och texten tar upp några kvantfenomen som strängt taget inte har så mycket med just den här studien att göra, exampelvis quantum entanglement. Det hade väl varit okej om man hade tagit sig tid att förklara vad det innebär, men det gör man inte - både videon och texten är korta. Det finns också en tendens att blanda ihop olika kvanteffekter, som Heisenbergs osäkerhetsrelation och så kallad sammanvävning eller "entanglement". I texten påstår man dessutom att det här är första gången man mäter effekterna av kvantfenomen i mer makroskopisk skala, men det stämmer inte. Det är första gången man mäter effekterna av kvantfluktuationer på så stora föremål som speglarna i LIGO, men effekterna av andra kvantfenomen har man sett betydligt tidigare - exempelvis den så kallade fotoelektriska effekten.

Kvantfysik är svårt att förstå och förklara, och många av de fenomen som är kopplade till kvantfysik skiljer sig mycket från vad vi ser i vardagen. Just därför är det trist när medier skildrar dem på ett sätt som får dem att verka ännu mer förvirrande och mystiska. Det kanske får kvantfenomenen att verka mer intressanta och forskningsframstegen mer dramatiska, men jag tycker det är onödigt att göra något så komplicerat ännu svårare att förstå.

Termodynamik, fiktion och verklighet

Det verkar som om Dan Brown (han med DaVinci-koden, om nån minns den) har skrivit konstigheter om vetenskap igen, i sin senaste roman Origin. En del av konstigheterna har att göra med att han tar med en verklig forskare, professor Jeremy England från MIT, i sin roman men tillskriver honom uppfattningar han inte delar och påstår att hans forskning visar saker den inte visar. Exempelvis skriver han att Englands forskning skulle vara ett bevis på att det inte finns någon gud, något som England själv senare tagit avstånd från.

Att författare av fiktion inte låter verkligheten stå i vägen för en bra historia är nu inget nytt, speciellt inte när det gäller Dan Brown (Änglar och Demoner, någon?). Ändå är det lätt att bli lite nyfiken. Vad det är i professor Englands forskning som inspirerar till vilda spekulationer om guds existens och syftet med universum?

Jeremy England ägnar sig åt en fascinerande gren av fysiken som enligt min åsikt får alldeles för lite uppskattning, nämligen termodynamik och statistisk fysik. Termodynamiken beskriver hur energi förflyttas och omvandlas. Den har sitt ursprung i studier av ångmaskiner och liknande i början av 1800-talet, men förutom sådana direkta tillämpningar har termodynamiken också lett till fundamentala insikter i hur världen fungerar. Mest kända av dessa är termodynamikens första och andra huvudsats, som säger att energi inte kan skapas eller förstöras utan bara omvandlas och att entropin (ett mått på hur utspridd energin är) måste vara konstant eller öka i ett system som är avskuret från omgivningen.

En sak som termodynamikens lagar kan användas till är att dra gränser för vad som är fysikaliskt möjligt. Det är till exempel relativt lätt att räkna ut en övre gräns för hur effektiv en förbränningsmotor kan bli bara med hjälp av första och andra huvudsatsen. (Termodynamik åberopas av den anledningen också i debatter om hållbarhet, vilket jag skrev om för några år sen.)

Vad Jeremy England gör är att undersöka just sådana gränser, men i betydligt mer komplicerade sammanhang. Hans artiklar utforskar vilka gränser termodynamiken sätter för komplexa kemiska och till och med biologiska system, som molekyler som kan kopiera sig själva (tänk RNA) eller celler som delar sig. Framför allt studerar han vilka gränser termodynamiken sätter för samspelet mellan t.ex. en bakterie i färd med att dela sig och dess omgivning.

Eftersom termodynamik omgärdas av en hel rad med missförstånd kan det vara bra att reda ut en sak här. I termodynamiken arbetar man så ofta som möjligt med antagandet att saker och ting är i, eller mycket nära, termodynamisk jämvikt eftersom flera användbara samband bara är giltiga i jämvikt. Detta har gett upphov till den seglivade myten att termodynamik generellt bara kan appliceras på system som är i jämvikt, vilket inte stämmer. Termodynamisk jämvikt syftar på att föremål som är i kontakt med varandra efter en stund hamnar i liknande tillstånd när det gäller t.ex. temperatur ellet tryck (ett exempel: Ditt kaffe är i termodynamisk jämvikt med omgivningen när det svalnat till rumstemperatur). Levande system jobbar ofta hårt för att inte hamna i jämvikt med omgivningen, så om man i likhet med Jeremy England vill studera sådana behöver man en termodynamik för det som avviker från jämvikt. Vilket är precis vad professor England sysslar med.

Många av Englands nyare artiklar tar upp självorganisering, alltså fenomenet att enkla beståndsdelar spontant kan bilda större, regelbundna strukturer. Ett exempel är vattenmolekyler som bildar snöflingor, ett annat exempel är levande celler. England visar hur självorganisering blir mer sannolik ju mer den leder till ökat energiutbyte med omgivningen. Framför allt verkar det vara fördelaktigt om självorganiseringen leder till att mycket värme dumpas i omgivningen, vilket ökar den totala entropin. Det är det här Dan Brown fått nys om och omvandlat till idén att universum har som syfte att öka sin entropi och att liv, som ju är en form av självorganiserade system, egentligen bara är ett sätt att uppnå entropiökning. Brown gör som sagt en hejdlös övertolkning av resultaten - universums syfte nämns inte i artiklarna och är antagligen inte något man kan härleda ur termodynamikens lagar - men är man intresserad av hur komplexa system uppstår är Englands resultat fascinerande i sig.

Om en omöjlig uppfinning

Ny Teknik publicerade i veckan en kort artikel om ett potentiellt revolutionerande framdrivningssystem för rymdfarkoster, kallat Emdrive. Artikeln handlar om att det amerikanska forskningsinstitutet DARPA utreder potentialen hos Emdrive, trots att idén bakom framdrivningssystemet har kritiserats för att vara fysikaliskt omöjlig. Hur hänger det här ihop? Vad är det Emdrive påstås kunna göra, och varför är det så omöjligt? Det tänkte jag försöka förklara, men först behövs kanske en liten mekanik-repetition.

Motkraft, rörelsemängd och reaktionsmassa
Tänk dig att du befinner dig på en tom skridskobana med väldigt blank is. Tyvärr har du inte dina skridskor på dig utan ett par riktigt hala dansskor, så du får inget som helst fäste på isen - ytan är friktionsfri. Kan du gå till kanten av skridskobanan?

Intuitivt säger nog de flesta av oss nej, vilket är helt rätt. För att vi ska börja röra oss, alltså accelerera, krävs det en kraft. På ett normal underlag skapas den kraften genom att vi skjuter ifrån mot marken - vi ger då upphov till en kraft som verkar på marken och marken påverkar oss med en lika stor kraft i motsatt riktning. Detta är helt i enlighet med Newtons tredje lag, som säger att för varje kraft finns en lika stor och motsatt motkraft. Det är också i enlighet med en annan fysikalisk lag som säger att rörelsemängden, alltså massan gånger hastigheten, är konstant i ett system som inte påverkas av några yttre krafter. Du får en viss rörelsemängd när du börjar gå, och planeten Jorden får en lika stor rörelsemängd i motsatt riktning (vilket inte kommer att märkas - eftersom Jordens massa är så mycket större än din blir förändringen i dess hastighet väldigt liten).

På vår friktionsfria skridskobana kan vi emellertid inte skjuta ifrån mot marken, så det blir ingen motkraft i riktningen mot kanten på skridskobanan (det finns ju alltid en kraft på oss mot jordens mittpunkt som ger upphov till andra motkrafter, men de hjälper oss inte i det här fallet). Tänk dig istället att vi har nåt tungt föremål med oss - kanske en sån där trägrej med handtag som barn kan hålla sig i när de ska lära sig åka skridskor? Om du knuffar iväg den i motsatt riktning mot den du vill flytta dig själv i så har du ju utövat en kraft på den och den har fått en rörelsemängd. Ska Newtons tredje lag och rörelsemängdens bevarande fortfarande gälla - och det gör de - måste träklumpen då utöva en motkraft på dig och du måste få en lika stor rörelsemängd i motsatt riktning.  Därmed kan du ta dig till kanten på skridskobanan.

Vad har det här med rymden att göra? Om man vill att en rymdfarkost av något slag ska accelerera hamnar man i samma läge som på skridskobanan - det finns inget man kan skjuta ifrån mot. För att lösa detta har man med sig stora mängder så kallad reaktionsmassa, som man kan skjuta iväg i motsatt riktning mot den man själv vill röra sig i. Tyvärr innebär detta att man måste ha med sig en försvarlig mängd reaktionsmassa från Jorden, vilket gör uppskjutningen besvärligare. Reaktionsmassan kan dessutom ta slut. Det är detta som Emdrive försöker lösa.

Tanken med Emdrive
För att förstå tanken med Emdrive behöver man känna till två andra fysikaliska fenomen, nämligen strålningstryck och grupphastighet. Strålningstryck innebär att elektromagnetisk strålning, som mikrovågor eller ljus, utövar en kraft på föremål det träffar. I vardagliga situationer är den här kraften för liten för att märkas, men med intensivt ljus kan man faktiskt flytta på små föremål - som den optiska pincetten som kan lyfta celler och som belönas med Nobelpris i år.

Grupphastighet har också med elektromagnetisk strålning att göra. När man vill leda strålning till en specifik punkt använder man ofta en vågledare, ett rör av metall som styr strålningen i rätt riktning. Ett sådant rör påverkar inte bara riktningen på de elektromagnetiska vågorna, utan också hur fort den energi de bär med sig färdas. Ljuset i sig färdas alltid med en konstant hastighet, men man kan visa att energin i strålningen (och eventuellt informationsinnehåll, om det till exempel är en radiovåg) färdas med en lägre hastighet som beror på vågledarens form och storlek och på strålningens våglängd.

Idén med Emdrive är att konstruera en vågledare för mikrovågor på ett sådant sätt att grupphastigheten är större i ena änden än i den andra. I ändarna på vågledaren placerar man reflekterande metallskivor. Strålningstrycket skulle då, enligt Emdrives uppfinnare, bli högre i den ända av vågledaren där grupphastigheten är högre. Det skulle i sin tur leda till en större kraft i ena riktningen än i den andra, vilket Emdrive-uppfinnarna hävdar skulle få hela vågledaren att börja röra på sig.

Invändningarna mot Emdrive
Efter vår diskussion av motkrafter och rörelsemängder ovan så är det inte konstigt om Emdrive-konstruktionen får oss att höja på ögonbrynen. Om satt i nån sorts farkost på vår friktionsfria skridskobana skulle vi väl inte kunna sätta fart på den genom att trycka på väggarna? Det är, i ett nötskal, den mest fundamentala kritiken mot Emdrive - själva idén bortser från Newtons tredje lag. Från uppfinnarnas sida försöker man förklara det hela med att det blir annorlunda för att ljus rör sig i relativistiska hastigheter, så man måste betrakta ljuset och vågledaren som två separata system (eller som de själva formulerar det, vågledaren plus strålning utgör ett öppet system). Tyvärr kan jag inte göra nån grundligare utvärdering av det påståendet eftersom de inte egentligen härleder det eller förklarar hur de menar i sina egna artiklar. Det finns också en del andra konstigheter i deras teori, exempelvis ett väldigt märkligt resonemang kring kraft och acceleration som enligt dem leder till att man inte kan mäta på systemet i en statisk experimentuppställning.

Det starkaste argumentet hittills har ändå varit att man i experiment med systemet faktiskt mätt upp en resulterande kraft, om än en liten sådan. Emellertid har de resultaten också sina kritiker, som pekar på en studie av Emdrive från universitetet i Dresden. Där insåg man att den resulterande kraften var oförändrad även när man minskade intensiteten på strålningen i vågledaren, vilket inte borde inträffa. När man fortsatte undersökningen hittade man en felkälla, nämligen interaktion mellan Jordens magnetfält och kablarna som försåg testutrustningen och Emdriven med ström. Den här interaktionen ger upphov till en kraft som i normala fall är försumbar, men som i Emdrive-fallet var tillräckligt för att ge helt fel resultat. När man skärmade av kablarna bättre för att minska interaktionen lyckades man nämligen inte mäta upp nån resulterande kraft från Emdrive.

Det verkar som om Newtons tredje lag klarar sig ett tag till. Emdrive-teorin är lite för bra för att vara sann.

Grafen: Vad, varför och till vad?

I fredags hade jag nöjet att hålla en så kallad "Skeptisk Kvart" (fast det blev visst en halvtimme) på Vetenskap och Folkbildning Göteborgs Skeptiska Månpub. Temat för föredraget var grafen: Vad är grafen, varför är det så fantastiskt och vad sk vi ha det till? När jag förberedde mig insåg jag att jag inte har skrivit så mycket om grafen här på bloggen, trots att jag jobbat med det i drygt två år. Därför tänkte jag publicera mina (renskrivna) anteckningar till föredraget här.

Om vi börjar med den första frågan, "vad är grafen?", så finns det ett enkelt svar: Grafen är ett enskilt lager grafit. Grafit i sin tur är något vi alla har kommit i kontakt med, det är nämligen den viktigaste beståndsdelen i stiftet till blyertspennor. Grafit består av kolatomer som sitter ordnade i lager. Inom lagren är de kemiska bindningarna mellan atomerna starka, så de sitter ihop bra, men mellan lagren är bindningarna mycket svagare och lagren glider lätt i förhållande till varandra. Det är det som händer när vi skriver med en blyertspenna, klumpar med flera lager grafit lossnar från stiftet och fastnar på pappret.

Den svaga bindningen mellan lagren i grafit var något som André Geim och Konstantin Novoselov i Manchester utnyttjade när de för första gången framställde grafen i början av 2000-talet. De experimenterade med en bit grafit och vanlig tejp, och när de satte tejp på grafiten kunde de enkelt lyfta av några lager. Efter att ha upprepat proceduren några gånger och kontrollerat resultatet i elektronmikroskop kunde de konstatera att de lyckats framställa ett enstaka lager grafit, alltså grafen. (För den som vill veta mer om den historen rekommenderas Manchesters universitets hemsida.)

Så Geim och Novoselov kom på hur man skulle framställa grafen. Men vad är det som är så fantastiskt med grafen som material? Ganska mycket skulle det visa sig - grafen är ett material som man behöver många superlativ för att beskriva. Eftersom det bara är en enda atom tjockt så är det det tunnaste material som finns, vilket också gör det till det lättaste (1000 gånger lättare än papper per kvadratmeter) och genomskinligt. Dessutom är det ca 200 gånger starkare än stål, böjligt och leder både elektricitet och värme bra.

Hur kan grafen ha så många spännande egenskaper? Lättheten och transparensen är som sagt knutna till att det är så tunt, men för att förstå de andra egenskaperna behöver vi titta på hur elektronerna i grafen beter sig. Grafen består av kolatomer, och varje kolatom består av en positivt laddad kärna omgiven av sex negativt laddade elektroner. Två av de elektronerna befinner sig oftast nära kärnan och påverkar därför inte omgivningen så mycket, men de övriga fyra avgör hur atomen sitter ihop med sina grannar. Varje kolatom i grafen har tre grannar, och de sitter ihop med något som kallas elektronparbindning eller kovalent bindning. Det innebär att en elektron från varje atom hamnar i ett tillstånd som gör att de oftast befinner sig mitt emellan atomkärnorna. Då elektronerna är negativt laddade och kärnorna positiva skapar det en stark bindning mellan atomerna.

Eftersom varje grafenatom har tre grannar så går tre av de fyra elektronerna åt till såna elektronparbindningar, och det är de som gör att grafenet blir så starkt - eftersom bindningarna är så starka krävs det mycket energi för att dra isär dem. De bidrar också till att grafen leder värme så bra. Värmetransport i grafen sker genom att atomerna vibrerar, och de styva bindningarna i planet gör att vibrationerna kan fortplanta sig snabbt.

Men den fjärde elektronen då? Den kommer inte att sitta mellan atomerna i grafenplanet, utan oftast befinna sig antingen ovanför eller nedanför planet. Den fjärde elektronen är mer "lös och ledig" än de andra och den kommer därför att börja rör på sig i ett elektriskt fält -- den bidrar alltså till grafenets stora förmåga att leda elektrisk ström. Det hjälper också att grafenets struktur innebär att elektronen kan komma upp i väldigt hög hastighet.

Så vad ska vi ha grafen till? Frågar man oss som forskar på grafen blir svaret "Allt!". Det är lätt att få intrycket att grafen ska lösa alla världens problem, men det finns några områden där det kan bli extra viktigt. Ett sådant är flexibel elektronik. Eftersom grafen är lätt, elektriskt ledande och böjligt skulle det kunna ersätta tyngre, stelare material och ge oss batterier och annan elektronik som går att böja, vika eller kanske sy in i kläder.

Något man är speciellt intresserad av att använda grafen till är böjliga pekskärmar. Pekskärmar ställer faktiskt rätt höga krav på de material som ingår, och speciellt materialet på ytan. Det måste vara genomskinligt, vi ska ju kunna se vad som står på skärmen, men det måste också fungera som en sensor och känna av hur vi rör fingrarna på skärmen. Det innebär att materialet måste leda elektrisk ström. Det finns bara ett fåtal material som klarar båda kraven, och de har ofta andra problem. Det som oftast används idag, indium-tenn-oxid, är till exempel väldigt skört och skulle absolut inte fungera i en böjlig skärm. Här skulle grafen vara ett väldigt spännande alternativ - så spännande att företag som Samsung redan är på gång med prototyper. 

Vacker musik, komplicerad fysik

Vad är likheten  mellan grafen och en pianosträng? Tja, i min senaste artikel använder jag ekvationer som bygger på kontinuumsmekanik för att beskriva svängningar i grafen. När jag satt och letade efter olika sätt att lösa de här ekvationerna hittade jag förvånansvärt många artiklar där samma ekvation användes för att beskriva vibrationer i pianosträngar.

Förutom det lustiga (nåja) i att två så olika system beskrivs av samma ekvationer så var det en annan sak jag fann intressant i de här artiklarna. Många av dem handlade om hur man på bästa sätt reproducerar ljudet av ett piano (på en synt exempelvis), något som jag uppriktigt sagt trodde var enklare än det tydligen är. Om man bara använder själva "grundsvängningen" med precis den frekvens som krävs för att få t.ex. ett A så får man en ganska platt ton som absolut inte låter som ett piano, eller något annat instrument heller för den delen. För att det ska börja närma sig ett igenkännbart piano-A måste man räkna med att grundsvängningen ger upphov till övertoner, vibrationer med högre frekvens. Inte ens det räcker dock, för i artiklarna jag hittade hade man beräknat effekten av så kallade longitudinella vibrationer. När man trycker ner en pianotangent slås strängen an med en hammare, vilket ger upphov till vad man kallar transversella vibrationer. De kan i sin tur skapa longitudinella vibrationer med vissa specifika frekvenser i strängen, och det påverkar klangen.

En mer allmänn diskussion av detta finns i denna artikel om utvärdering av musikinstrument i Physics Today. Här avhandlas övertoner, transienter och annat som skiljer ett synt-A från ett piano-A (eller fiol-A, eller flöjt-A...). Att konstruera en matematisk modell av ett instrument är tydligen oerhört komplicerat, och att mäta kvalitén med vetenskapliga metoder är nästan lika svårt. Tur att det är så mycket enklare att bara njuta av musiken...

Oceaner av olja?

DN presenterade igår en fantastisk nyhet: Havsvatten kan användas som bränsle! Det är den amerikanska militären som har lyckats utvinna koldioxid och vätgas ur havsvatten, för att sedan med lämpliga katalysatorer sätta ihop molekylerna till något som liknar flygplansbränsle. Tanken är att hangarfartyg ska kunna tillverka bränsle till flygplan på plats ute på havet, men riktigt så långt har man tydligen inte kommit än.
Fantastiskt, eller hur? Själv började jag genast fundera på några av de saker man valde att inte skriva så detaljerat om i DN:

1. Var kommer energin ifrån?
Att tillverka bränsle är inte samma sak som att tillverka energi - att tillverka bränsle är möjligt men energi kan varken skapas eller förstöras. Enligt en lite mer utförlig artikel från United States Naval Research Laboratory, som står bakom arbetet, så handlar det om en elektrokemisk process där man med hjälp av elektrisk ström gör havsvattnet kemiskt surt (alltså sänker pH-värdet). När havsvattnet blir surare kan man utvinna koldioxid som varit löst i vattnet, antingen som vanliga CO2-molekyler eller i form av kolsyra (ja, faktiskt). Vätgasen kommer från vattenmolekyler som sönderdelas i vätejoner och hydroxidjoner, och dyker upp som en biprodukt i en annan del av processen där man får en basisk lösning istället för en sur lösning. När man väl har vätgas och koldioxid låter man dem reagera i närvaro av en katalysator för att få kolväten, som sedan kan bli flygplansbränsle.

Hela den här tillverkningsprocessen kräver energi. Var ska den komma ifrån? Lite snabbt googlande visar att USA:s större hangarfartyg är utrustade med kärnreaktorer, så de har väl inga problem med energiförsörjningen. I civila sammanhang skulle man kunna driva processen med solceller, vindkraft eller någon annan förnyelsebar energikälla.

2. Varför just flygplansbränsle?
Som det står ovan så kräver tillverkningen av flygplansbränsle från havsvatten energi. Ett ännu mer korrekt sätt att uttrycka det är att energin man tillför under tillverkningen lagras i flygplansbränslet och frigörs när bränslet förbränns i jetmotorn. Så varför vill man lagra energin som just flygplansbränsle?

Att förstå poängen med detta blir lättare om man vet vad alternativen är. Både kärnreaktorer och solceller är för stora och otympliga för att man ska kunna ha dem ombord på ett flygplan eller en bil. (Man kan naturligtvis installera enstaka solceller, men knappast tillräckligt många för att driva fordonet. Speciellt inte när solen går i moln.) Alltså måste energin som produceras lagras på något sätt så att vi kan ta den med oss ombord. Batterier är en möjlighet, men i dagsläget skulle de ta för stor plats i ett flygplan och det går i regel ganska långsamt att ladda dem. Vätgas är ett populärt alternativ bland förespråkare för bränsleceller, men eftersom det är just en gas så uppkommer vissa tekniska problem. Vid normala temperaturer och tryck tar vätgas väldigt stor plats i förhållande till hur mycket energi den innehåller, och förvaring vid höga tryck eller låga temperaturer är komplicerat och riskfyllt. Både batterier och vätgas skulle dessutom kräva att man bygger om flygplanen eller bilarna ganska ordentligt och utrustar dem med elmotorer.

I jämförelse med alternativen ovan framstår ett flytande bränsle som perfekt: Det har hög energitäthet (tar lite plats i förhållande till hur mycket energi det innehåller) och kan relativt snabbt hällas över från en behållare till en annan så tankningen behöver inte ta så lång tid. Eftersom den tillgängliga tekniken är gjord för olika former av olja behövs dessutom inga nya komponenter i själva fordonen - de bara kör på som vanligt med bränsle från en annan källa.

3. Är detta framtidens bränsle?
Detta verkar ju som en väldigt lovande teknik: Om oljan sinar kan vi göra ny olja av havsvatten och solenergi. Jag är dock en smula skeptisk till att det skulle vara det bästa alternativet i längden. Anledningen är att vanliga motorer som drivs av flytande bränslen i regel väldigt ineffektiva jämfört med elmotorer och bränsleceller, så man skulle kunna få större nytta av energin om man lagrar den i ett batteri än som flytande bränsle. Alltså: Det är otroligt intressant om man kan få den här tekniken att fungera, men jag hoppas fortfarande på bränsleceller och förbättrad batteriteknik.

APS-mötet

Förra veckan var jag på Colorado Convention Center i Denver och deltog i American Physical Society March Meeting, en jättekonferens som mestadels handlar om kondenserade materiens fysik och materialfysik. Ca 9000 deltagare och oerhört många föredrag. Eftersom det är lite svårt att skriva om allt som hände under veckan har jag gjort en liten lista:

Tyngst: Ett föredrag av John Perdew, om densitetsfunktionalteori och nödvändiga villkor för att konstruera en bra exchange-correlation-funktional (det finns en hyfsad förklaring till vad det är för något i min gamla uppsats).

Mest underhållande: Greg Bryson var inbjuden för att prata en halvtimme på temat "Science and Secrecy", och valde att ägna tiden åt att tala om hur katastrofalt det varit med överdrivet hemlighetsmakeri inom olika amerikanska militära projekt. Min favorit var den där de fick svårt att anställa folk för att de inte fick tala om i förväg vad projektet gick ut på...

Mest nervöst: Mitt eget föredrag, naturligtvis. Men det gick ganska bra till slut.

Mest relevant (för min forskning): Hiram Corley hade undersökt hur värmeledningsförmågan i favoritmaterialet grafén påverkas av att man tänjer det. Värmeledning i grafén sker mestadels genom att atomerna vibrerar. Atomerna kan vibrera i tre olika riktningar, två inom grafénplanet och en vinkelrätt mot planet. Vibrationen vinkelrätt mot planet är speciell eftersom grafén till skillnad från de flesta andra material består av ett enda lager atomer, och den här typen av vibration är väldigt viktig för värmeledningsförmågan. Genom att töja grafénet hade man lyckats minska vibrationerna vinkelrätt mot planet och därmed sänkt värmeledningsförmågan.

Blåast: Colorado Convention Centers maskot (se bild).

Lise Meitner-priset 2013

I går delades årets Lise Meitner-pris ut till Professor Mildred Dresselhaus från MIT. Lise Meitner-priset delas ut av FYSICUM i Göteborg och ska gå till någon som gjort en banbrytande upptäckt inom fysiken. Mildred Dresselhaus kan nog påstås ha gjort flera: Hon har varit aktiv inom fältet kolnanostrukturer ända från början och bidragit bland annat till upptäckten av så kallade fullerener. Hennes forskargrupp var också några av de första att förutsäga hur elektroner beter sig i kolnanorör. Att döma av föreläsningen som denna 83-åriga professor höll i samband med prisutdelningen har hon dessutom långt ifrån slut på idéer.

Att det delas ut ett Lise Meitner-pris just i Göteborg beror på att Meitner bodde i Kungälv då hon gjorde ett av sina mer berömda genombrott. Det var här Meitner förstod att de spår av lättare grundämnen som man fann efter att ha bestrålat uran med neutroner uppkom för att urankärnorna föll sönder. Denna upptäckt ligger bakom både atombomber och kärnkraftverk.

Den tråkiga biten är förstås att Nobelpriset för upptäckten av fission, som Meitner bidragit så starkt till, endast tillföll hennes kollega Otto Hahn och inte delades mellan dem båda. Det har hävdats att det berodde på att Meitner var kvinna, vilket kanske stämmer - att vara kvinna och fysiker har inte alltid varit lätt. (Professor Dresselhaus nämnde till exempel under sin föreläsning hur svårt det var för kvinnliga fysiker att få forskartjänster när hon började.)

Att Meitner inte fick Nobelpris är inte bara orättvist mot henne utan också ett problem för eftervärlden, på så sätt att listan över Nobelpristagare ses som en lista över dem som bidragit mest till vetenskapen. Om viktiga personer saknas på den listan bara på grund av sitt kön blir det lätt att få uppfattningen att inga kvinnor egentligen bidragit till vetenskapens utveckling, och det stämmer helt enkelt inte. Därför är det bra att man delar ut ett pris till minne av Lise Meitners upptäckt - det kan nämligen få oss att komma ihåg den.

Avslutningsvis, några visdomsord från xkcd.com:

Higgs i sikte!

Det har väl förmodligen inte undgått någon att den berömda Higgspartikeln, som ska förklara varför materia har massa och täppa till hålen i standardmodellen, kanske har observerats. Den statistiska säkerheten var aningen för låg för forskarna, men bara en aning. Pressreleasen från CERN finns här.

Sånt man trodde man visste

För en dryg vecka sedan var det vårfest med mat, mingel och quiz pǻ mitt jobb. Eftersom vi är en fysikinstitution så handlade en del av frågorna i quizet om fysik - sån där vardagsfysik som vi alla tyckte att vi kunde.
Tänk så fel man kan ha.

Några av de här frågorna gav upphov till ganska livliga diskussioner. Det var också de frågorna där ett av svarsalternativen var det som står i fysikböcker på grundskolan - och det svarsalternativet var inte rätt. Därför tänkte jag diskutera några av frågorna här. Den första är:

Föremål från rymden värms upp när de kommer in i atmosfären för att:
    a. De trycker ihop luften framför sig
    b. De gnids mot luften (friktion)
    c. De är varma på grund av kosmisk strålning och luften isolerar dem.

Alternativ c kan uteslutas ganska lätt. Hur varmt ett föremål från rymden är torde mest bero på hur långt det är till närmaste stjärna och om det är i skuggan av nåt eller inte. Även om ett föremål från rymden (en sten, till exempel) skulle vara upphettat av den kosmiska strålningen så skulle det vara mer välisolerat, och därför förbli varmare, i vakuum. I vakuum kan stenen nämligen bara kylas ner genom att den strålar ut värmestrålning. I atmosfären kan den, förutom att ge ifrån sig strålning, också göra av med värmeenergi genom att luftmolekyler krockar med den och då kan ta med sig en del energi bort från stenen.

De andra två alternativen kan kräva lite mer eftertanke. Alternativ b är så vitt jag minns det som står i fysikböckerna i grundskolan. Man tänker sig att när molekylerna i luften krockar med stenen så bromsas den ner och rörelseenergi omvandlas till värme. Det låter ju ganska rimligt, men eftersom det är ganska långt mellan molekylerna i luften (framför allt på hög höjd) så kan man fråga sig om effekten verkligen är tillräckligt stor för att förklara att de flesta meteorer hinner förångas innan de når jordytan.

Rätt svar var alltså alternativ a. Sambandet mellan tryck, volym och temperatur i atmosfären beskrivs på ett ungefär av den ideala gaslagen
pV=NkT
där p är trycket, V volymen, N antalet partiklar och T temperaturen. Om vi antar att antalet partiklar är konstant så ser vi att det finns två sätt att höja temperaturen: vi kan öka volymen eller öka trycket (eller göra både och, eller minska det ena och öka det andra i lagom grad, men låt oss göra det lite lätt för oss). Eftersom luften framför meteoren sannolikt har gott om plats att flytta på sig kan vi anta att den håller sin volym ganska konstant. Däremot kommer den att krocka med den framrusande stenen vilket leder till en ökning av trycket, och alltså också en ökning av temperaturen. En del av denna temperaturökning kommer att överföras till stenen genom alla krockande molekyler, och så blir stenen varm.

Det ska tilläggas att några jag pratade med efter quizet tyckte att alternativ a och b egentligen inte gick att skilja åt eftersom de båda handlar om vad som händer då stenen krockar med molekyler i atmosfären, tryckökningen kan ju ses som en effekt av friktion. I alla fall får man nog tänka sig att man får ett bidrag från båda effekterna, men att alternativ a är det som dominerar. 

En bra fråga

Häromdagen när jag satt på kontoret och begrundade resultatet av en beräkning ringde telefonen. Det var en tjej som ville ha svar på en fråga av fysikalisk karaktär och på något sätt fått tag på mitt telefonnummer. Frågan var ganska intressant så jag tänkte upprepa den här.

Saken gällde energi och hur den kan finnas i olika former. Tjejen hade fått höra att värmeenergi inte kan omvandlas till andra typer av energi utan är en sorts "slutstation". Det tyckte hon var konstigt eftersom man ofta har värme som ett mellansteg i olika processer, exempelvis i kärnkraftverk där energin från fissionsreaktionen används till att  koka vatten (=värme) så att ångan kan driva en turbin som genererar ström. Ett annat exempel på detta är hur rörelseenergin i vinden uppstår för att solen värmer upp olika delar av atmosfären olika mycket så att det börjar blåsa (tänk sjöbris en sommardag).

Det är dock inte den här typen av processer man syftar på när man säger att värme inte kan omvandlas till andra energislag. Exemplen ovan innehåller processer som inte är spontana i ett avskiljt system utan där det hela tiden tillförs energi till systemet från något annat energislag; kärnenergi i fallet med kraftverket och elektromagnetisk strålning i fallet med vinden. Andra energislag som exempelvis kemisk energi kan spontant omvandlas till värme - det är därför man inte bara ska lämna en trasa med linolja på var som helst. Gör man det ändå kommer den kemiska energin i linoljan spontant att börja omvandlas till värme och ljus - trasan börjar brinna. Värme i luften kan dock aldrig omvandlas till linolja, inte ens om alla ingående grundämnen finns tillgängliga.

När en process bara kan gå åt ett håll, som med linoljan, säger man att den är irreversibel. Det brukar innebära att entropin ökar under processens gång. Entropi är ett ganska abstrakt begrepp på många sätt men man brukar säga att det är ett mått på graden av oordning i ett system, ju högre entropi desto högre oordning. Entropin i ett slutet system kan aldrig minska om man inte tillför energi utifrån. Därför måste också den totala entropin i universum hela tiden öka.

Det lutar åt det tråkiga svaret...

Detta är visserligen långt utanför mitt område, men jag vill ändå dela med mig av ett pressmeddelande från CERN angående de snabbflygande neutrinerna från förra året. Neutriner är yttepyttesmå, neutrala elementarpartiklar med väldigt liten massa som samverkar väldigt lite med saker omkring dem. Förra året mätte en mätstation under namnet OPERA hastigheten på en puls av neutriner från CERN och kom fram till att de färdats dit med en hastighet som överskrider ljusets, vilket borde vara omöjligt enligt de teorier vi har idag om hur världen fungerar. Nu har en annan mätstation, ICARUS, gjort en mätning på en motsvarande puls av neutriner och fått en hastighet som underskrider ljusets. Dessutom har OPERA-projektet identifierat två mättekniska svårigheter som måste kontrolleras, vilket de tydligen ska göra någon gång i maj. Det lutar alltså åt att fysiken fungerar som vi trodde i det här fallet. Trots att det kanske varit roligare om Einstein haft fel...

Varför simuleringar?

Naturvetenskap handlar om att studera hur verkligheten fungerar. Det mest omedelbara sättet är att betrakta världen omkring sig på olika sätt, eller ännu hellre ändra på saker i den och se vad konsekvenserna blir. Kort sagt, att göra experiment.

Traditionellt sett finns det ett annat sätt att lära sig saker om verkligheten: Man kan utgå ifrån det man redan vet, formulera regler för hur det beter sig när man ändrar på något och sedan försöka förutsäga vad som kommer att hända när man ändrar på något annat. Alltså, man kan ägna sig åt teorier.

När datorer utvecklades och blev snabbare, kraftfullare och billigare dök det upp något som vissa hävdar är ett tredje alternativ: Simuleringar. Man kan låta datorn räkna åt en, och på det sättet räkna ut saker som är oerhört svåra att komma åt om man måste räkna för hand. När man gör en simulering med så kallad molekylärdynamik låter man datorn lösa Newtons ekvationer (kraften på en partikel är lika med accelerationen gånger massan) för ett system av atomer. Från en sådan simulering kan man få ut systemets totala energi, tryck, temperatur etc. Man kan ändra temperaturen och studera vad som händer när materialet smälter, eller variera trycket och se hur mycket det kan tryckas ihop.

Men vad är det här bra för? Man kan ju faktiskt studera det verkliga materialet, och bygga upp sina teorier utifrån det. Ja, det stämmer, men med beräkningarna kan man göra saker som är svåra att göra i ett experiment på ett ganska lätt sätt (ofta är det också tvärt om, det som är lätt att göra experimentellt kan vara svårt att upprepa i en simulering). För att fortsätta med exemplet molekylärdynamik så bygger den ofta direkt på experimentella data eftersom man anpassar sin modell för hur atomerna påverkar varandra till data från experiment. När man väl har en fungerande modell kan man exempelvis följa en enskild atom som rör sig i ett material, vilket är mycket svårt i experiment- i modellen är atomerna numrerade men det är de inte i verkligheten. Man kan också öka eller sänka tryck och temperatur mycket snabbare än i verkligheten, eller studera materialet vid extremt höga eller låga temperaturer.

En annan sak kan vara att man behöver göra en simulering för att se hur väl ens teori stämmer. Så är ofta fallet med så kallad densitetsfunktionalteori. I densitetsfunktionalteori räknar man på hur atomerna påverkar varandra genom att beräkna tätheten av så kallade valenselektroner mellan atomerna. Modellen utgår från grundläggande beskrivningar av hur elektroner och atomkärnor samverkar med varandra, men för att kunna använda dem praktiskt måste man göra några förenklingar. Här kan det vara intressant att göra simuleringar bara för att testa hur bra modeller som enbart grundar sig på teori står sig mot resultat från experiment.

Så simuleringar är spännande, bland annat för att de låter oss testa saker vi inte kan testa på något annat sätt och för att de låter oss se följderna av våra teoretiska modeller på ett sätt som vi inte skulle kunna göra annars.

Vad jag gör, egentligen

Med jämna mellanrum hamnar man i situationer där någon frågar en vad man arbetar med. Svarar man då "Jag är doktorand i fysik" så kan man räkna med att det inte säger folk så mycket. Det är inte konstigt, speciellt inte eftersom fysikdoktorander kan göra många olika saker. Så när jag får den frågan brukar jag tillägga något i stil med: jag arbetar med matematiska modeller av olika material, modeller som beskriver hur atomerna i materialet sitter ihop. Utifrån de modellerna kan man räkna ut vad materialet har för egenskaper. Just nu kollar jag på ett material som heter barium-zirkonium-oxid som man hoppas kunna använda i bränsleceller i framtiden.

Jag tänkte gå in på lite mer detaljer här och jag tänkte börja med "hur atomerna sitter ihop".

En atom består av en atomkärna, som är liten, tung och positivt laddad, och elektroner som är små, lätta och negativt laddade. Elektronerna finns någonstans runt kärnan, i form av vad man kallar ett elektronmoln. Beroende på var de oftast är i förhållande till kärnan, alltså var det är mest sannolikt att hitta dem, är de olika starkt bundna till kärnan. De som har svagast bindning till kärnan, eller sitter "längst ut", kallas valenselektroner.

Valenselektroner är intressantare än andra elektroner för att de avgör hur atomen sitter ihop med sin omgivning. Alla atomer vill nämligen ha åtta valenselektroner, som bildar vad man kallar ett fullt skal eller ädelgasskal (undantaget är väte och helium, de två lättaste grundämnena, som kan nöja sig med två). Natrium till exempel har en valenselektron, och under den ett fullt skal. Den kan lätt ge ifrån sig sin yttersta elektron och bilda en positivt laddad natriumjon. Å andra sidan finns det ämnen som klor, som har sju valenselektroner. Klor tar gärna upp en elektron och bildar en negativt laddad kloridjon. Positivt och negativt laddade joner dras till varandra, och därför sitter natriumjoner och kloridjoner ofta ihop som natriumklorid, alltså vanligt koksalt som man kan hälla i pastavattnet.

Apropå vatten så är det inte alltid elektronerna behöver lämna en atom helt och gå över till en annan för att man ska få ett stabilt tillstånd. Väte har en enda elektron, syre har sex valenselektroner. I vatten, som består av två väte och en syre, delar atomerna på vätenas valenselektroner och två av syrets valenselektroner (elektroner hänger gärna ihop två och två i sådana sammanhang). Resultatet är en väldigt stark så kallad kovalent bindning, där elektronerna som delas mellan atomerna ofta befinner sig mellan atomkärnorna och därför håller ihop dem (de positiva atomkärnorna dras till de negativa elektronerna).

Förutom att skapa joner och kovalenta bindningar kan valenselektroner bidra till något som kallas metallbindning också. Som namnet antyder finns den sorten mest i metaller. Den påminner om kovalent bindning, förutom att alla atomer i metallen delar på alla valenselektroner. Det gör att bindningen blir lika stark i alla riktningar, istället för att vara riktningsberoende som den kovalenta bindningen.

Det finns några bindningar som inte är lika direkt beroende av just valenselektronerna. En är vätebindningen, som uppstår när väte är bundet exempelvis till syre. Valenselektronerna kommer att vilja sitta lite närmre syret än vätet, så syret blir lite negativt laddat och vätet lite positivt. Andra molekyler i närheten kommer då att vilja ha sina negativa delar vända mot vätet och positiva mot syret. Det skapar en bindning mellan molekylerna, men den är svagare än till exempel kovalent bindning. En ännu svagare bindning uppstår mellan molekyler som inte har en positiv och en negativ del, men där elektronerna flyttar lite på sig och skapar tillfälliga positiva och negativa laddningar. De laddningarna kommer då att påverka omgivningen och få molekylerna att hänga ihop.

Så, det var det. Nästa gång ska jag skriva om mina datormodeller och vad man ska ha dem till.