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.

Järnsvamp och koldioxidutsläpp från annat än bränsle

Under förra året lanserades HYBRIT, ett samarbetsprojekt mellan SSAB, LKAB och Vattenfall som ska leda till koldioxidfri järnproduktion. Framför allt vill man ersätta kolet som används i dagens järnproduktion med vätgas, vilket låter som en rätt vanlig ambition när det handlar om att ställa om till fossilfri produktion. Trots det finns det en skillnad mellan detta och många andra omställningsprojekt, och det handlar om hur man använder kol.

När man eldar upp fossila bränslen som olja och kol är det oftast för att man vill komma åt den kemiska energin som är lagrad i bränslet och använda den till att värma upp något (eller, i en förbränningsmotor, att få en gas att expandera). Ska man ersätta fossila bränslen i de fallen behöver man en annan energikälla - sol- eller vindkraftsel, kärnkraft, biobränslen - och ibland också ett sätt att transportera energin till rätt plats, som batterier. I järnframställning är lite annorlunda eftersom det inte huvudsakligen är värme man är ute efter. Istället använder man vissa kemiska egenskaper hos kolet för att möjliggöra en viss kemisk reaktion.

Järnmalm innehåller järnoxider, alltså mineraler som består av både järn och syre. För att skilja järn från syre behöver man tillsätta något annat som reagerar med järnoxiden och binder till syreatomerna. Ofta använder man kol, eller mer precist kolmonoxid som bildas när man hettar upp kol i en syrefattig miljö. Kemi-termen för detta är att man reducerar järnmalmen. Inom kemin betyder reduktion att ett ämne tar upp elektroner, om ett ämne istället ger ifrån sig elektroner kallas det oxidation. Om man eldar upp t.ex. en bit kol ger kolet ifrån sig elektroner till syre från den omgivande luften, d.v.s. det oxideras, och syret reduceras när det tar upp elektroner. När järnmalmen reduceras oxideras kolmonoxiden och blir i slutändan koldioxid.

I HYBRIT vill man alltså ersätta kolet med vätgas, vilket leder till att man får vatten istället för koldioxid. Det finns redan metoder för att använda en blandning av vätgas och kolmonoxid, vilket producerar så kallad järnsvamp (järn i en väldigt porös form) istället för vanligt tackjärn. Poängen är att man inte bara har ersatt en energikälla här, utan en komponent i vad som i praktiken är en kemisk process, vilket kräver anpassningar och leder till en lite annan produkt.

Järnframställning är inte den enda process där man behöver byta ut sina råvaror för att eliminera koldioxidutsläppen. Ett annat vanligt exempel är cementframställning. En försvarlig del av koldioxidutsläppen där kommer från en kemisk reaktion där man omvandlar kalciumkarbonat, som innehåller kol, till kalciumoxid, som inte innehåller kol. För att komma till rätta med dessa utsläpp behöver man alltså ersätta kalciumkarbonat med något annat (eller möjligen fånga upp koldioxiden på något sätt). Det finns förslag på saker man delvis kan ersätta kalciumkarbonatet med, bland annat masugnsslagg och flygaska, men det kan i sin tur påverka cementens egenskaper.

Det speciella med en omställning till koldioxidfri tillverkning i de här fallen är som sagt att den råvara som är orsak till utsläppen inte bara är en energikälla utan har kemiska eller mekaniska egenskaper som påverkar resultatet. Att hitta en lämplig ersättning kräver riktade insatser inom forskning och utveckling, anpassade till det specifika användningsområdet snarare än på att ersätta energikällor. Vi lär se fler projekt som Hybrit i framtiden, i flera olika typer av industri med liknande problem.

Flödesbatterier. Eller är de bränsleceller?

 Jag har skrivit en del inlägg om uppladdningsbara batterier på den här bloggen (t.ex. detta, detta, eller detta), och några om bränsleceller (t.ex. här och här). Härom dagen fick jag dock syn på en artikel i Elektroniktidningen som handlar om något som kallas redoxflödesbatterier. Jag hade aldrig hört talas om redoxflödesbatterier innan och vid en första anblick undrade jag om de inte egentligen är en sorts bränslecell. Jag försökte naturligtvis kolla upp detta på Wikipedia och de som skrivit artikeln om flödesbatterier verkar också tycka att de är nån sorts mellanting.

Både batterier och bränsleceller funkar på grund av så kallade redox-reaktioner, eller reduktions-oxidations-reaktioner. Reduktion, i det här sammanhanget, innebär att en av komponenterna i reaktionen tar upp en eller flera elektroner. Oxidation innebär att en annan komponent i reaktionen ger ifrån sig en eller flera elektroner. Man kan tänka sig detta som en förbränningsreaktion. Om man bränner upp vätgas i luft kommer vätgasen att oxideras - varje väteatom ger ifrån sig en elektron. Samtidigt reduceras en del av syret i luften - varje syreatom tar upp två elektroner - och slutprodukten blir vattenmolekyler med en syreatom och två väteatomer. 

I en vanlig förbränningsreaktion sker allt det här samtidigt på ett och samma ställe, men i en bränslecell som bränner vätgas delar man upp redox-reaktionen så att reduktionen av syre sker vid den ena elektroden (anoden) och oxidationen av vätgasen sker vid den andra elektroden (katoden). Genom att dela upp redoxreaktionen på det här sättet kan man få de oxiderade vätejonerna att ta sig från katoden till anoden genom ett membran eller en elektrolyt, samtidigt som elektronerna får ta en annan väg för att nå fram till syrejonerna och reducera dem. Det är den strömmen av elektroner man använder för att utvinna elektrisk energi ur bränslecellen.

Ett batteri liknar en bränslecell på så sätt att man har en redox-reaktion som är uppdelad så att reduktionen och oxidationen sker vid olika elektroder, och man har en elektrolyt som kan transportera joner från den ena sidan till den andra. Precis som för bränslecellen innebär det att elektronerna kan förmås till att ta en annan väg mellan elektroderna, helst genom nån nyttig pryl som glödlampan i en ficklampa eller någon av kretsarna i en mobiltelefon. En stor skillnad mellan batterier och bränsleceller är dock att man hela tiden tillför bränsle till bränslecellen, medan batterier i sig innehåller alla ämnen som ingår i reaktionen från början. När de är slut är batteriet helt enkelt urladdat och måste laddas upp igen genom att man tillför elektrisk energi och därmed driver redox-reaktionen baklänges.

Så hur passar då flödesbatterier in i bilden? Precis som vanliga batterier och bränsleceller har de två elektroder, men till skillnad från vanliga batterier består båda elektroderna av samma material (oftast någon form av kol). I gengäld har flödesbatterier två elektrolyter med olika kemisk sammansättning istället för en. I de flesta batterier är det materialet i elektroderna som genomgår själva redox-reaktionen, men i flödesbatteriet reagerar de båda elektrolyterna istället. När båda elektrolyterna har samma kemiska sammansättning är batteriet urladdat. Då kan man antingen ladda upp det genom att tillföra energi och driva reaktionen baklänges som man gör med ett uppladdningsbart batteri, eller byta ut elektrolyten vilket blir mer som en bränslecell. 

Konventionella flödesbatterier använder vattenbaserade elektrolyter som innehåller vanadin- och vanadinoxidjoner. Tyvärr är vanadin, som många användbara metaller, sällsynt och giftig. Artikeln i Elektroniktidningen handlar om en studie av hur man kan använda organiska ämnen istället för vanadin, tillsammans med en annan typ av elektroder. 

En begränsning hos batterier är att de bara kan laddas ur och laddas upp ett begränsat antal gånger. Flödesbatterier kan laddas upp och laddas ur fler gånger än vanliga batterier, vilket är en fördel. Å andra sidan är de väldigt mycket större och tyngre eftersom de kräver två elektrolyter i stora volymer. Därför är flödesbatterier inte direkt något alternativ för elbilar eller andra tillämpningar som behöver vara flyttbara, utan snarare för stationär energilagring. Ett exempel skulle kunna vara att lagra energi från solceller eller vindkraftverk vid tillfällen när de genererar mer ström än vad som behövs.

Om elektricitet ur "tomma" luften och hur man rapporterar om upptäckter

Härom veckan fick jag reda på att några forskare vid University of Massachusetts Amhurst gjort en spännande upptäckt: De hade lyckats generera elektricitet ur luftfuktighet med hjälp av proteinbaserade nanotrådar. Den första beskrivningen av upptäckten som jag träffade på kom från Warp institute, men en snabb Googling tog mig både till en sorts pressmeddelande från universitetet där upptäckten gjordes och diverse sidor som rapporterar om framsteg inom forskning och teknik. Rapporteringen var väldigt entusiastisk och beskrev det hela som ett sätt att generera miljövänlig, förnybar energi ur tomma luften - utan beroende av sådant som solljus eller vind.

Den typen av rapportering kan lätt göra en fundersam och ge upphov till frågor av typen "men hur funkar det egentligen?". För att ha en chans att få svar måste man gräva vidare lite. Forskarna har publicerat sitt arbete i prestigetidskriften Nature, som inte precis är Open Access, men lyckligtvis går det att läsa en version av artikeln via Researchgate.

Hur det funkar (så vitt man vet...)
En av de första saker man inser när man börjar läsa artikeln är att det här med att utvinna elektricitet från luftfuktighet är ett hyfsat aktivt forskningsfält, hur konstigt det än kan låta för den som inte är insatt. En rätt intressant översiktsartikel som forskarna refererar till presenterar resultat från försök med nanomaterial som grafenoxid, men nämner också att mekanismen bakom är lite oklar - man tror att det har att göra med att när vattenångan från luften absorberas i materialet kan en del av vattenmolekylerna delas upp i negativt laddade OH-joner (en väte och en syre) och positivt laddade vätejoner (en process som pågår hela tiden i vatten när det är i flytande fas, d.v.s. inte ånga eller is). De positivt laddade vätejonerna kan då samverka med laddade partiklar i kolnanomaterialet på ett sätt som ger upphov till en skillnad i elektrisk potential och därmed en elektrisk ström.

Så om det här är ett känt fenomen, vad är det nya i Massachusetts-forskarnas upptäckt? Tidigare material som använts för att generera ström ur luftfuktighet har bara genererat ström en kort stund, för att sedan behöva en mycket längre "uppladdningstid" innan de kan generera ström igen. Massachusetts-forskarnas material genererade under experimenten ström i hela 20 timmar, för att sen bara behöva en "uppladdningstid" på fem timmar. Det är är här det där med porositet och skillnader i vattenkoncentration kommer in.

I Massachusetts-forskarnas experiment ligger de proteinbaserade nanotrådarna samlade mellan två elektroder, d.v.s. plattor av elektriskt ledande material. Tillsammans bildar nanotrådarna ett material full av små hål och kanaler, eller porer, som vatten skulle kunna ta sig fram igenom. Bara den ena ytan, vid den övre elektroden, är i kontakt med den omgivande luften och kan ta upp vattenånga. Vattnet som tas upp på det här sättet sprider sig i materialet, men på grund av att porerna är så små får man inte samma koncentration överallt, vilket leder till en skillnad i elektrisk potential och som resultat av det en elektrisk ström. Forskarna är dock noga med att poängtera att det fortfarande finns flera oklarheter i exakt hur den här processen går till och att det behövs fler studier.

Något de är säkra på är dock att energin som utvinns kommer från vattenångan som tas upp av materialet och inte från t.ex. en kemisk reaktion i nanotrådarna. Det är inte orimligt eftersom en vattenmolekyl som far runt i luften i form av vattenånga har högre energi än en som är absorberad av ett material, åtminstone i form av rörelseenergi, men de exakta mekanismerna är alltså fortfarande oklara.

Hur det rapporteras
I botten på den här historien finns ett spännande framsteg inom ett etablerat forskningsfält, en upptäckt som visar på intressanta möjligheter men också lämnar många viktiga frågor utan svar åtminstone för tillfället. Så varför rapporteras det på ett sätt som får det att låta så osannolikt?

Rent allmänt finns det en tendens till att man pratar om naturvetenskap och teknik på ett rätt dramatiskt sätt som framhäver det oväntade - som att framställa ström ur "tomma luften" - eller det som kan kopplas till samhällsdebatten, som förnybar energi. Det gäller inte bara bland vetenskapsjournalister utan är även ett sätt för forskarna själva att väcka intresse för sitt arbete. I det här fallet har forskarna själva i intervjuer framhållit just de här två aspekterna, liksom pressmeddelandet från universitetet gör.

En annan sak som bidrar är behovet av att förenkling när man skriver om vetenskap. Ibland kan man förenkla på ett bra sätt, ibland faller viktiga saker bort, och ibland handlar det om saker som inte ens de som forskar på dem är helt säkra på hur de funkar. I det här fallet finns det en del texter i rapporteringen (inte alla, dock) som närmast helt slarvar bort mekanismen och därför får det att se ut som en evighetsmaskin - något som strider mot termodynamikens lagar - trots att det inte är vad det är frågan om.

Vill man väcka intresse och entusiasm för teknik och naturvetenskap kan den här kombinationen av dramatik och förenkling framstå som det enda sättet att tränga igenom mediebruset. Det kan också vara en riskabel kombination, inte bara för att den får verkliga upptäckter att framstå som osannolika utan för att man nästan per automatik presenterar vetenskapen mer som en serie plötsliga, geniala kvantsprång än den långsamma process av kunskapsinsamlande det oftare är frågan om.

Vad finns det att säga om koldioxidavskiljning?

I december förra året fick jag syn på en lite intressant grej i mitt Facebookflöde: Ett inlägg från Chalmers Tekniska Högskola som beskrev hur några av deras forskare (i samarbete med andra forskare vid Stockholms Universitet) tagit fram ett nytt, lovande material för så kallad koldioxidavskiljning och lagring, även kallat CCS (carbon capture and storage). Det verkade intressant dels av materialvetenskapliga skäl, dels för att man hör förvånansvärt lite om CCS-teknik rent allmänt. Andra tekniker kopplade till minskade koldioxidutsläpp, som uppladdningsbara batterier, bränsleceller och biobränslen, får betydligt mer uppmärksamhet. Så vad finns det att säga om CCS?

Tanken med koldioxidavskiljning och -lagring är att man ska kunna skilja ut koldioxid från en blandning av gaser, som t.ex. röken från kol- och oljeeldade kraftverk, och därmed hindra den från att spridas i atmosfären. Istället transporteras koldioxiden bort och lagras under längre tid utan att släppas ut. Havsbotten och vissa typer av berggrund brukar framhållas som lämpliga lagringsplatser, exempelvis görs försök i Norge med att lagra koldioxid från gasfält i berggrunden på havsbotten nära gasfyndigheterna. Alla steg i den här processen har sina tekniska utmaningar, kostnader och risker, till exempel skulle ett oavsiktligt utsläpp av koldioxid från lagringsplatsen både omintetgöra nyttan med avskiljningen och potentiellt också orsaka skador på människor och natur i omgivningen. Enligt en översiktsartikel från 2018, publicerad i Royal Society of Chemistry's tidskrift Energy and Enviromental Science, har försök med tekniken har visat sig bli dyra och tidskrävande, delvis på grund av installationskostnader och infrastruktur som behöver byggas upp. Om man däremot lyckas med CCS hägrar möjligheten att få till stora, snabba minskningar av koldioxidutsläppen.

Chalmersforskarnas nya material är som sagt tänkt att användas för själva avskiljningen av koldioxid. För att förstå problemen de försöker lösa får vi återvända till översiktsartikeln som jag länkade till innan. Där beskrivs bland mycket annat hur de flesta existerande försök med CCS-teknik skiljer ut koldioxiden med hjälp av en blandning av vatten och olika kemikalier, oftast så kallade aminer. Det här är en teknik som länge använts för att rensa ut koldioxid ur naturgas och därmed få en renare och bättre naturgas att elda upp, men tekniken kan också användas på utsläpp från exempelvis kolkraftverk. Själva koldioxidavskiljningen förbrukar tyvärr en hel del energi eftersom man behöver få ut koldioxiden ur vattenlösningen igen för att transportera iväg den, t.ex. genom att hetta upp lösningen. Dessutom är många av de här vattenlösningarna giftiga och i högre koncentrationer också frätande, vilket kan ställa till problem både när det gäller slitage i anläggningen och vid utsläpp.

För att komma runt detta vill man utveckla material som kan ta upp koldioxid men som inte är vattenlösningar eller vätskor utan fasta material. Dessa skulle, förutom lägre utsläpprisk, kunna bli lättare att installera i kraftverk och fabriker i efterhand och även kräva mindre energi jämfört med vattenlösningarna när koldioxiden ska skiljas från materialet och transporteras vidare till lagringen. Artikeln som Chalmersforskarna skrivit handlar om just ett sådant material. Det består av två komponenter, där den ena är ett sorts poröst nätverk av gelatin och cellulosa (ja, sån som finns i träd, fast de har processat den till en lite annan form) som ger materialet stadga samtidigt som det släpper igenom gaser som koldioxid. Den andra komponenten är en så kallad zeolit, ett mineral som består av aluminium och kisel och som har en väldigt speciell struktur med stora hålrum och porer i. Koldioxidmolekyler kan fastna på ytan av zeoliten, och tack vare den porösa strukturen finns det väldigt mycket yta för dem att fastna på.

Kombinationen av zeoliter, gelatin och cellulosa i Chalmersforskarnas material ska göra det lätthanterligt och lättinstallerat, billigt och dessutom mestadels biologiskt nerbrytbart. Det kan alltså vara en del i utvecklingen av billigare och mer lätthanterlig CCS-teknik, som i sin tur kanske kan användas mer och få mer uppmärksamhet. En annan fråga är emellertid om det är dit man egentligen vill komma. Något som skiljer CCS från mer uppmärksammade tekniker som bränsleceller och förnybar energi är att de två sistnämnda har en tydlig roll i ett samhälle som ställt om från fossila bränslen, medan CCS handlar om att fortsätta generera koldioxid men inte släppa ut den. Intresset, eller bristen på intresse, för CCS har också att göra med om man ser tekniken som ett sätt att fördröja eller hindra en nödvändig omställning, eller som ett sätt att kunna minska koldioxidutsläppen fortare än vad man kan ställa om till koldioxidneutrala energikällor och produktionsmetoder. Så det finns en del att säga om CCS - från olika perspektiv.

En vandrande plastbit och betingning

Det har av olika anledningar dröjt lite längre än vanligt sen det förra inlägget på den här bloggen. Jag hade tänkt kompensera för uppehållet med en ordentlig djupdykning i tekniken bakom så kallad carbon capture and storage, men så fick jag syn på en video av en vandrande plastbit på svt.se. Tydligen handlar det om ett plastmaterial som normalt sett böjer sig när man hettar upp det, men enligt artikeltexten har forskarna "lärt" det att istället reagera på ljus och det kan därför dra sig framåt som en mätarlarv om man med jämna mellanrum lyser på det.

Så hur i hela världen lär man en plastbit reagera på ljus?

Forskningsarbetet som det hela härrör från har också presenterats i en artikel i tidskriften Matter, en artikel som lyckligtvis är tillgänglig gratis (kudos!). I artikeln framgår det att plastbiten är något som kallas ett "liquid crystal polymer network", alltså ett nätverk av vätskekristaller och andra polymerer. Polymerer är långa molekyler som består av mindre, identiska bitar som upprepar sig  - cellulosa till exempel är en polymer som består av långa kedjor av identiska druvsockermolekyler (glukos). Plastmaterial är i regel polymerer, som polyeten (långa kedjor av etenmolekyler) och polystyren (långa kedjor av styrenmolekyler - "poly" betyder, här som på andra områden, "flera" eller "många").

Vätskekristaller är också långa molekyler, vissa av dem är även polymerer. Det speciella med dem är att de beter sig lite som en vätska, t.ex. att de kan flöda från en behållare till en annan och ändra form, och lite som det forskare menar när de talar om kristaller, d.v.s. att de atomer och molekyler som ingår är arrangerade i regelbundna mönster. Vätskekristaller har en hel rad intressanta egenskaper, här på bloggen har vi t.ex. tidigare skrivit om deras optiska egenskaper och vilka konsekvenser det kan få för lidarsensorer.

Det finns många tidigare studier som visar på hur man binda ihop ett polymernätverk, som ger struktur och stadga, med vätskekristall-molekyler (det finns t.ex. en översiktsartikel här, men den är rätt teknisk). Detta kan till exempel leda till material som böjer sig på ett bestämt sätt när det blir varmt. Det beror på att de annars så välordnade vätskekristallmolekylerna hamnar i oordning när temperaturen ökar. Om de från början ligger som i en rad kan de ta upp mindre plats när de hamnar i oordning, så den delen av materialet drar ihop sig. Om de istället ligger bredvid varandra tar de upp mer plats när de hamnar i oordning, och materialet expanderar. Materialet som används i artikeln har vätskekristaller liggade i rader på ena sidan och vätskekristaller bredvid varandra på den andra, så medan den ena sidan drar ihop sig expanderar den andra. Det gör att materialet börjer sig kraftigt åt ena hållet när det värms upp.

Så redan från början har vi alltså ett plastmaterial som böjs på ett visst sätt när det blir ordentligt varmt. Hur har man då fått det att reagera på ljus istället? I artikeln skriver forskarna att de på ena sidan av plastbiten placerade ett färgämne som absorberar ljus av en viss våglängd. Det absorberade ljuset gör att färgämnet värms upp och avger värme till plastmaterialet, men när det bara ligger i ett skikt på ytan av materialet blir temperaturökningen inte tillräckligt stor för att böja plastmaterialet. Istället utsatte forskara materialet för både ljus och värme samtidigt. Värmen ledde både till att plasten böjde sig och till att färgämnet började sprida sig in i plasten. Ju längre in i plasten färgämnet kom desto mer effektivt kunde plastmaterialet ta upp värmen som färgämnet avgav, vilket ytterligare ökade temperaturen i plasten. När färgämnet till sist var utspritt i hela plastbiten var värmeöverföringen så effektiv att när materialet hade svalnat och rätats ut igen räckte det att bara lysa på materialet för att det skulle bli tillräckligt varmt för att böja sig.

Så på vilket sätt innebär det här att man har lärt plastbiten något? Forskarna själva jämför processen med betingning och drar paralleller till Pavlovs hundar. Pavlovs experiment på hundar visade att hundarna, som normalt började dregla när de fick mat, också kunde fås att börja dregla när man ringde i en klocka, förutsatt att man först flera gånger ringde i klockan samtidigt som hundarna fick mat. Forskarna jämställer här värmen som får plastbiten att böja sig med maten, ljuset med klockan och den samtidiga exponeringen med betingningsfasen.


De medger också själva att jämförelsen haltar en hel del och att plastbiten är ett oerhört mycket enklare system. En viktig skillnad är att Pavlovs hundar reagerade även i total frånvaro av mat, medan plastbiten egentligen inte böjs i avsaknad av värme - värmen tillförs bara genom en annan mekanism. En annan skillnad är att plastbiten inte spontant kan "glömma" sin "betingning" - färgämnet sitter där det sitter. Man hade också lika gärna kunnat hoppa över "betingningen" och introducera färgämnet när man tillverkade plasten, eller få det att sprida sig i plasten bara genom att hetta upp alltihop (d.v.s. utan att exponera det för både ljus och värme samtidigt) och få samma effekt. Om det här egentligen kan beskrivas som en form av betingning, och därmed inlärning, är därför högst tveksamt. Kanske kan den här forskningen ge upphov till en enkel modell för inlärning i material, men det är väldigt långt kvar till en levande organisms nivå.

Efter att man tämjt litium...

Normalt sett brukar jag inte skriva så mycket om Nobelprisen. De är ju minst sagt uppmärksammade, och därmed presenteras det nästan alltid bra populärvetenskapliga förklaringar av dem någonstans i ett medieflöde nära dig. I år kan jag emellertid inte låta bli att åtminstone reflektera lite över, inte fysikpriset (även om exoplaneter är rätt spännande), utan kemipriset.  (Apropå populärvetenskapliga presentationer så hittar ni KVA:s här.)

Kemipriset i år gick till M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough och Akira Yoshino för deras arbete med litiumbatterier. De har inte arbetat i samma forskargrupp eller lab, men deras respektive arbeten bygger vidare på varandra och markerar viktiga milstolpar på vägen mot de litiumbatterier vi har idag.

Som jag nämnt tidigare (lustigt nog i ett inlägg som handlade om en av Goodenoughs artiklar) består batterier i grunden av två elektroder, en positiv och en negativ, åtskilda av en elektrolyt. När man använder batteriet strömmar elektroner och joner (laddade atomer - i det här fallet atomer som gett ifrån sig elektroner och därför är positivt laddade) från den negativa elektroden till den positiva, jonerna genom elektrolyten och elektronerna genom vad det nu är för elektronik man vill använda batteriet till att driva. När man laddar man batteriet igen lagrar det energi genom att tvinga tillbaka elektroner och joner till den negativa elektroden. För att ett uppladdningsbart batteri ska fungera bra behöver alltså båda elektroderna kunna ta upp och ge ifrån sig joner upprepade gånger utan att börja fungera sämre, ändra form eller förstöras. Man måste också se till att litiumjonerna har högre energi när de sitter i den negativa elektroden än i den positiva, eftersom det är den skillnaden man använder för att lagra energi i batteriet.

I litiumbatterier löser man i regel det här med ett poröst kolmaterial, som grafit, i den negativa elektroden (en av Akira Yoshinos upptäckter, för övrigt) och en metalloxid i den positiva. I båda materialen kan litiumjonerna lagras i hålrum eller luckor i materialet, där de binder tillräckligt svagt till atomerna runt omkring för att lätt kunna lämna materialet igen vid urladdning eller uppladdning. För att oxiden i den positiva elektroden ska kunna behålla sin struktur under urladdningen är det vanligt att den innehåller kobolt.

Kobolt är ett problemmaterial i de här sammanhangen. Det framställs på få platser som en biprodukt av utvinningen av andra metaller, t.ex. koppar och nickel. Nånstans runt hälften av världens totala produktion verkar ske i Demokratiska Republiken Kongo, under usla förhållanden. Samtidigt har det visat sig svårt att ersätta helt, trots idoga försök. Man kan minska mängden kobolt man använder genom att istället använda mer nickel och aluminium, men det sänker batteriets kapacitet en aning och under vissa förhållanden kan det vara mindre säkert.

Det här med att en användbar teknik som har positiva effekter för många kräver problematiska råvaror är något som nästan alltid kommer upp när det handlar om energikällor, energilagring och energianvändning. Bensinmotorer kräver, tja, oljeutvinning (och dessutom många andra välkända nackdelar, som låg verkningsgrad och koldioxidutsläpp). Bränsleceller, åtminstone sådanan som fungerar vid någorlunda rimliga temperaturer, har sina katalysatorer av dyr och sällsynt platina. Vindkraftverk har neodyn.

Vi kan inte undvika att all framställning, lagrning och användning av energi har effekter på vår omgivning. Vi borde kunna undvika de mest horribla lokala konsekvenserna av mineralbrytning, och vi borde kunna ta vara på den kobolt, litium etc. som vi redan tagit fram genom bättre återvinning (notera att länken bara är ett exempel - det verkar finnas många som jobbar med detta). Tyvärr är just återvinning nåt som ofta släpar efter resten av teknikutvecklingen och som bara får verkligt genomslag när priserna på nya råvaror skjuter i höjden.

Och så kan vi ju också fortsätta hoppas på att nån kommer på ett sätt att ersätta kobolt i litiumbatterier. Jag har hört att den 97-årigen professor Goodenough inte känner sig färdig för pension riktigt än.

Om vätskekristaller och LIDAR

När företag försöker utveckla självkörande bilar har de en tendens att utrusta sina testfordon med ett stort antal sensorer av olika slag. En populär typ av sensor är lidar, en sensor som sänder ut korta pulser av laserljus (i regel infrarött) och mäter tiden det tar för pulsen att reflekteras av något i omgivningen och återvända till sensorn. Från informationen om hur lång tid som passerat och vilken riktning lasern pekade i är det lätt att ta reda på positionen för föremålet som reflekterade pulsen. Om man sedan sveper med lasern över olika vinklar får man en serie mätningar som ger avstånet till närmaste föremål för varje vinkel (bra att veta om man vill undvika att krocka med något). Detta ger en översikt över omgivningen i två dimensioner, och vill man så kan man placera flera lasrar ovanför varandra för att få en tredimensionell uppmätning av omgivningen. En lidar kan ge relativt högupplöst information om hur omgivningen ser ut upp till drygt hundra meters avstånd, så det är inte konstigt att de är populära bland de som samlar in data till algoritmer för autonom körning.

Å andra sidan finns det ju de som föredrar att inte använda lidar, som Elon Musks Tesla till exempel. Lidartekniken har ett antal nackndelar, till exempel att varje enskild lidarenhet är rätt dyr och att de har en tendens att gå sönder ofta på grund av att de innehåller så många rörliga delar. Vissa lidarsensorer har lasrar som helt enklet snurrar 360 grader, andra förlitar sig på mindre rörelser med speglar och olika mikroelektromekaniska element, men de verkar alla behöva rörliga delar som slits fort.

Nu finns det några som påstår sig ha löst det problemet, nämligen det amerikanska företaget Lumotive som i mars i år tillkännagav de att de har en metod för att slippa de rörliga delarna helt. Enligt IEEE Spectrum har de lyckats med detta genom att använda ett metamaterial med vätskekristaller för att sakta ner valda delar av laserstrålen relativt andra delar. Detta betyder att vågtoppar och vågdalar hos den elektromagnetiska vågen kommer att uppträda på olika ställen för olika delar av laserstrålen, vilket gör att de förstärker varandra i vissa riktningar och släcker ut varandra i andra riktningar. Genom att kontrollera vilka delar av strålen som saktas ner är det därför möjligt att kontrollera riktningen på strålen (detta är samma sak som det jag försökte beskriva när jag skrev om Radar och den snurrande grejen, fast nu gäller det infrarött istället för millimetervågor).

Om det här visar sig funka kommer det att bli väldigt användbart, men vad menas egentligen med ett metamaterial med vätskekristaller? Vi vet att ett metamaterial är ett artificiellt material som är konstruerat av små bitar eller komponenter gjorda av vanliga material och att de ofta designas för att ha rätt exotiska egenskaper. Så vad det gäller bör då vara ett artificiellt material där en av komponenterna är vätskekristaller.

Vätskekristaller är material, oftast bestående av väldigt långa molekyler, som beter sig lite som vätskor och lite som kristaller. (Här handlar det om den vetenskapliga betydelsen av kristall, d.v.s. att atomer och molekyler sitter ordnade i ett regelbundet tredimensionellt mönster, eller kristallgitter). Till exempel så kan vätskekristaller i regel flyta ut och ändra form som en vätska, men molekylerna håller sig ändå i ett någorlunda välordnat kristallgitter. Både Lumotives lidar och den mer välkända tillämpningen av vätskekristaller, alltså vätskekristallskärmar (LCD), använder sig av att det är lätt att ändra molekylernas riktning (eftersom det är en vätska) i kombination med de speciella optiska egenskaper som följer av kristallstrukturen.

Eftersom vätskekristaller oftast består av avlånga molekyler har de en tendens att vara väldigt anisotropa, det vill säga egenskaperna hos vätskekristallen är annorlunda om du betraktar den i en riktning längs med molekylerna jämfört med i en riktning som går på tvärs mot dem. När det gäller optiska egenskaper innebär detta att den hastighet som ljuset rör sig med i materialet, och därmed också materialets brytningsindex, är olika för ljus som rör sig längs molekylerna och för ljus som rör sig på tvärs mot molekylerna. Effekten är också beroende av hur molekylernas riktning förhåller sig till ljusets polarisation, på ett sätt som gör att vätskekristaller kan ändra polarisationsriktningen hos ljus som passerar igenom dem.

Den här förmågan att ändra polarisationsriktningen hos ljus är vad man använder sig av i LCD-skärmar. Påverkan på polarisationen är som sagt beroende av hur molekylerna är ordnade, och det kan man ändra på genom att utsätta dem för ett elektriskt fält. Genom att placera vätskekristall mellan polarisationsfilter och sedan justera orienteringen av molekylerna i vätskekristallen kan man antingen få mycket ljus att passera igenom, genom att se till att polarisationen på ljuset stämmer med båda polarisationsfiltren, eller få väldigt lite ljus att passera genom att se till att ljusets polarisation är vinkelrät mot åtminstone ett av polarisationsfiltren. Det gör att man kan slå av eller på varje enskild pixel med hjälp av de elektriska fält som styr molekylriktningen.

Metamaterialen som används i Lumotives lidarsensorer, å andra sdan, verkar bygga på att använda skillnaden i brytningsindex för olika riktningar i vätskekristallen*. Precis som i LCD-skärmar så kontrolleras riktningen på molekylerna med hjälp av elektriska fält, men med målet att justera brytningsindex till ett specifikt värde istället för att påverka polarisationen. Man kan se det som att man väljer om ljuset ska propagera längs med molekylerna, på tvärs mot dem eller i någon annan vinkel, och att man använder sig av skillnaden i brytningsindex mellan de olika lägena.

Ett metamaterial har av naturliga skäl mer en en komponent. I det här fallet handlar det, förutom vätskekristallen, om en struktur med kiselväggar som bildar så kallade dielektriska resonatorer, där varje resonator är fylld med vätskekristall. När brytningsindex för vätskekristallen ändras betyder det att man ändrar egenskaperna för hela resonatorn. Om en laserstråle reflekteras mot en yta som består av ett stort antal sådana resonatorer så kommer effekten att bli att vissa delar av den inkommande strålen saktas ner innan de reflekteras, precis som vi beskrev ovan. Genom att justera det elektriska fältet som vätskekristallerna utsätts för i de olika resonatorerna kan man därför styra den reflekterade laserstrålen.

Om den här tekniken visar sig fungera bra i verkligheten kan det göra lidar till en mycket billigare, och därför mycket vanligare, sensor. Hur långt det tar oss när det gäller självkörande bilar återstår att se.

* Det här är hämtat från den internationella patentansökan WO2018156688A1, som har Lumotives CTO listad som uppfinnare, men jag kan naturligtvis inte vara säker på att det är exakt den tekniken de använder. 

Mer maskininlärning inom materialfysiken

For those who prefer to read in English, this post is also available on my other blog.

I ett tidigare inlägg kollade vi på en vetenskaplig studie där maskininlärning användes för att bestämma vissa egenskaper hos dopat grafén. En av mina tankar kring detta var att studien var lite otillfredsställande eftersom den visserligen visade att neurala nätverk kan tränas till att bestämma materialegenskaper, men inte innehöll några försök att förstå hur nätverket nådde ett visst resultat - trots att detta hade kunnat lära oss något både om nätverket och om dopat grafén som sådant.

Faktum är att i artikeln om dopat grafén refereras en studie där man har gjort just ett sådant försök, fast för en helt annan forskningsfråga. I artikeln, som är publicerad i Nature Communications, avhandlas problemet med en robust metod för att klassificera kristallstrukturer utan att använda en uppsjö av svårjusterade tröskelvärden och parametrar. Dessutom tillämpar de en metod för att undersöka vad som händer i det neurala nätverket.

Klassificering av kristallstrukturer låter i och för sig inte som det mest spännande problemet i världen, men inom materialvetenskap och kondenserade materiens fysik är det rätt viktigt. Många material är kristallina, d.v.s. de består av grupper av atomer som upprepas på ett regelbundet sätt. Att veta hur de här grupperna av atomer ser ut och vilka typer av symmetrier de uppvisar är viktigt för att kunna förstå, undersöka och modellera material - samt ibland för att ta reda på hur de kan användas och förbättras. Det är också en ganska långdragen process som lätt kan gå fel, exempelvis om det finns störningar i den mätdata man använder. Dessutom innehåller alla verkliga material man kan mäta på defekter, d.v.s. avvikelser från den struktur man försöker känna igen. I studien vi pratar om här är målsättningen att utveckla en robust klassificeringsmetod som kan hantera närvaron av defekter utan att det leder till felaktiga klassificeringar.

Första steget är att bestämma vilken sorts indata man ska använda. Detta är mer komplicerat än man kan tro eftersom det kan påverka klassificeringen - använder man t.ex. atomernas positioner relativt varandra rakt av så kan det leda till en större känslighet för vissa typer av defekter. Istället har man valt att använda diffraktionsmönster, som reducerar informationen om atomers positioner och relativa avstånd till varandra till ett antal prickar i ett bestämt mönster. (Om du minns diffraktionsmönster från fysiklektionerna i gymnasiet så är det här ungefär samma sak, fast med lager av atomer istället för diffraktionsgitter och elektromagnetisk strålning med kortare våglängd än synligt ljus.) Diffraktionsmönstren används som indata i ett convolutional neural network (CNN) med flera lager, som plockar ut karaktäristiska drag ur mönstret och sedan klassificerar det baserat på de karaktäristiska dragen. I den här studien visade tester av nätverket goda resultat även i fall där strukturerna man försökte klassificera inkluderade en stor andel defekter.

Det intressantaste med den här studien är dock hur forskarna valde att utvärdera sitt nätverk. Som vi nämnt i tidigare inlägg så kan man likna första lagret i ett CNN med att man jämför delar av en bild med en annan, mindre bild, och om de matchar varandra får man en positiv output. Output från den första omgången används sedan i ytterligare en jämförelse som plockar ut mer komplicerade drag, och så vidare. När man tränar det neurala nätverket justerar man de mindre "bilderna", även kallade filter, så att de svarar mot drag i inputbilderna som gör det möjligt för nätverket att göra en korrekt klassificering. Om det är nödvändigt att plocka ut igen räta linjer för att klassificera indata korrekt så kommer några filter att motsvara räta linjer, är prickar viktiga kommer några filter att motsvara prickar, och så vidare.

Detta innebär också att när det neurala nätverket är färdigtränat och används för att processa en bild så kommer det, efter många lager av jämförelser, att finnas en del av nätverket som representerar de drag som finns i bilden och som det neurala nätverket har tränats till att plocka ut och klassificera. Den här delen av nätverket skulle kunna visa på vilken information nätverket använder för klassificering av den aktuella bilden, men eftersom stegen innan är såpass komplexa är den också svår att tolka. Det är emellertid möjligt att plocka ut den här representationen av de utvalda dragen och gå igenom alla tidigare steg i nätverket fast baklänges. Denna process genererar en sorts bild som också visar vilka drag nätverket har plockat ut ur den ursprungliga bilden, men på ett sätt som är lättare att tolka. Genom att använda den här metoden kunde forskarna visa att det neurala nätverket automatiskt hade lärt sig att klassificera baserat på drag som människor också använder för att klassificera kristallstrukturer, som avstånd mellan plan av atomer.

Så vad är det som är så intressant med detta? För det första visar det på en metod för att kontrollera att nätverkets klassificering baseras på något som vi skulle anse betydelsefullt, och inte till exempel på någon typ av slumpmässigt brus som är mer vanligt i vissa typer av bilder än andra. För det andra pekar det på att man kan använda neurala nätverk inte bara för att klassificera data utan också för öka vår förståelse för den data vi klassificerar. Det är trots allt möjligt att nätverket kan plocka ut någon skillnad mellan olika data som vi inte omedelbart inser vikten av. Personligen anser jag att det är en bra strategi om man ska tillämpa maskininlärning inom fysik - att inte bara se hur man kan använda neurala nätverk, utan också varför det fungerar.

Maskininlärning i materialfysiken

Härom veckan läste jag ett teknikoptimistiskt blogginlägg på temat maskininlärning av den amerikanske skeptikern Steven Novella. Han skrev bland annat om en amerikansk forskargrupp som lärt ett neuralt nätverk bestämma egenskaper hos dopat grafén, alltså grafén där några av kolatomerna är utbytta mot andra ämnen, utifrån placeringen på dopatomerna. Novella valde att framställa det som att det neurala nätverket utförde decennier av forskning inom loppet av några dagar och skulle kunna ge oss praktiska tillämpningar av grafén betydligt tidigare än om man inte använt maskininlärning.

Naturligtvis var jag tvungen att leta rätt på artikeln och ta reda på vad forskargruppen egentligen hade gjort.

Själva forskningsfrågan
 
Artikeln i fråga är publicerad i npj Computational Materials (den är för övrigt tillgänglig gratis) och enligt titeln handlar den om att förutsäga storleken på det så kallade bandgapet i material som består av en kombination av grafén och bornitrid. Bornitrid är ett material som består av två sorters atomer, bor och kväve, som sitter ihop i ett hexagonalt mönster precis som kolatomerna i grafén. Bornitrid kan också precis som grafén förekomma som ett enda supertunt lager av atomer. De här likheterna mellan de båda materialen är en av anledningarna till att man försöker kombinera dem.

Den andra anledningen är att medan grafén leder elektrisk ström väldigt väl är det svårt att få bornitrid att leda någon ström alls. Den här skillnaden kommer sig av att det krävs rätt lite energi för att få elektronerna i grafén att börja flytta på sig, medan elektronerna i bornitrid behöver ett stort energitillskott för att kunna röra sig alls. Det här energitillskottet som krävs för att elektronerna ska kunna röra sig kallas också bandgap, eftersom det motsvarar ett 'gap' i energi mellan olika tillstånd som elektronerna kan befinna sig i. Grafén har alltså ett extremt litet bandgap, bornitrid ett stort bandgap. Genom att kombinera de två materialen vill man skapa ett hybridmaterial med ett lagom stort bandgap, som man sedan kan använda i t.ex. elektronik.

Emellertid har det visat sig att man inte bara kan ersätta några kolatomer med bor och kväve hur som helst. Hur bor- och kväveatomerna är placerade i förhållande till varandra spelar roll för hur stort bandgapet blir. Vad den amerikanska forskargruppen försökt göra är att förutsäga hur stort bandgapet blir baserat på placeringen av bor- och kväveatomer med hjälp av artificiella neurala nätverk, mer specifikt så kallade CNN (convolutional neural networks - man skulle kunna kalla dem faltningsnätverk på svenska men det skulle antagligen inte göra dem lättare att förstå).

De neurala nätverken
 
CNN är en typ av neurala nätverk som tagits fram för att plocka ut karaktäristiska drag ur bilder och sedan klassificera bilderna utifrån dem - de är till exempel användbara för ansiktsigenkänning och när självkörande bilar ska se skillnad på en fotgängare och en vägskylt. Den grundläggande principen i ett CNN kan liknas vid att jämföra små områden i en bild med mindre, enklare bilder och ge en positiv respons om de liknar varandra. Om du till exempel har en bild av ett hus och den mindre bilden innehåller ett lodrätt streck så kan du få en positiv respons när du kommer till hörnen, fönstren eller dörren eftersom de alla innehåller raka, lodräta partier. I ett CNN måste man dock represenera båda bilderna som matriser av tal, och man har flera 'lager' där resultatet av en jämförelse i sin tur jämförs med fler matriser (detta behövs för att man ska kunna känna igen mer komplicerade former i en bild, t.ex. ansiktsdrag).

För att kunna använda CNN till grafénproblemet ovan valde forskarna att använda datormodeller där par av olika atomer representeras av siffror. När de introducerar bor- och kväveatomer i grafén sitter de ofta i par, med en bor och en kväve bredvid varandra. Detta gör det möjligt att låta ett bor-kvävepar motsvaras av en etta och de vanliga kol-kolparen av nollor, för att på så sätt göra en 'bild' som olika typer av CNN kan hantera. De konstruerade också sina nätverk till att ge storleken på bandgapet som utdata.

Neurala nätverk behöver tränas med relevant data för att funka, vilket oftast innebär att automatiskt jämföra nätverkets utdata med det önskade resultatet, räkna ut avvikelsen och med hjälp av den justera det neurala nätverket till att ge ett bättre svar. För att kunna träna sina neurala nätverk genererade forskarna därför flera tusen möjliga konfigurationer i form av datormodeller och räknade ut bandgapet för varje konfiguration med hjälp av simuleringar. De färdigtränade nätverken användes sedan för att förutsäga bandgapet för ytterligare ett antal konfigurationer som man visste det beräknade bandgapet för men som inte användes i träningen. Resultaten visade sig vara mycket lovande.

Vad man lär sig av detta
 
Så vad blir effekten av den här forskningsstudien? Man har lyckats visa att det går att förutsäga vissa egenskaper hos material med hjälp av neurala nätverk, vilket borde innebära att de som forskar på grafén och andra tvådimensionella material får ytterligare ett verktyg som de kan använda i sin forskning. Det är fortfarande en lång väg från den här studien till elektronik baserad på grafén och bornitrid, men eventuellt kan den göra det enklare att veta vad som är rätt material att satsa på.

En annan intressant sak med den här studien är vad den mellan raderna säger om maskininlärningens begränsningar. För att det alls ska fungera behöver de neurala nätverken få all relevant data i en form som kan behandlas, vilket innebär att det krävs mycket kunskap om grafén och bornitrid för att ens formulera problemet på ett sätt som kan angripas med neurala nätverk. I den här studien har forskarna t.ex. fokuserat helt på var par av bor och kväve befinner sig i förhållade till varandra och skalat bort alla andra drag hos materialet, antagligen baserat på vad man redan vet om de här materialen. 

En annan och rätt välkänd begränsning hos neurala nätverk är att det är svårt att förstå varför de fungerar som de gör, ens när de ger bra resultat. I en sådan här studie hade det varit väldigt intressant att se vad som är gemensamt för konfigurationer som ger lågt respektive högt bandgap, men det är inte information man enkelt kan få från det neurala nätverket och artikelförfattarna verkar inte ha gjort någon ansats att försöka. Jag misstänker starkt att en metod för att förstå vad som händer inne i nätverken är nödvändig om den här typen av studier ska kunna hjälpa oss att förstå materialen man studerar.

Som ni kanske förstår håller jag inte med Steven Novella om att denna enda och egentligen rätt begränsade studie motsvarar decennier av forskning och i sig tar oss betydligt närmre grafén-elektronik, men resultaten i den är ändå intressanta som ett exempel på hur neurala nätverk kan användas inom materialfysiken.

Varför har vi inga osynlighetsmantlar?

År 2018 var det 10 år sen jag snubblade över möjligheten att skriva min kandidatuppsats på ämnet fotoniska kristaller. Fotoniska kristaller är en typ av metamaterial, artificiella material som skapas genom att man sätter samman många små bitar av olika vanliga material för att få nåt som har ovanliga egenskaper. En fotonisk kristall kan t.ex. effektivt stoppa elektromagnetisk strålning (ljus, mikrovågor o.s.v.) med en viss frekvens, medan andra frekvenser släpps igenom utan problem. Material med sådana egenskaper kan ha många spännande användningsområden, men den (populärvetenskapligt) mest omskrivna tillämpningen är ändå att metamaterial kanske, kanske kan användas för att göra saker osynliga. Frågan blir då, har man kommit nån vart med osynlighetsmantlarna de senaste 10 åren?

För 10 år sen var det just fotoniska kristaller som gällde. En fotonisk kristall består av minst två material som inte är elektriskt ledande och som släpper igenom ljus men har olika brytningsindex - det skulle t.ex. kunna vara två olika sorters plast eller plast och glas. De två materialen placeras i en periodisk struktur, vilket till exempel kan innebära en hög med tunna skivor där varannan är plast och varannan glas (den engelskspråkiga Wikipediasidan har några bra figurer som visar hur det kan se ut). Tjockleken på skivorna ska då motsvara ungefär en halv våglängd hos den elektromagnetiska strålning man vill hindra från att passera.

Att bara hindra strålning av en viss frekvens från att passera räcker dock inte för att göra något osynligt. Helst skulle man vilja leda ljuset runt det föremål som ska göras osynligt, så att ögonen hos den som tittar på det bara tar emot ljus från det som finns bakom föremålet. Teoretiskt sett är detta möjligt med fotoniska kristaller, på grund av något som kallas effektivt negativt brytningsindex.

När ljus passerar mellan två olika material, t.ex. från luft till glas, fortsätter det inte i en rät linje utan ändrar riktning med en viss vinkel. Hur stor vinkeln är beror på hur stor skillnaden mellan ljusets hastighet i de två materialen är. Den skillnaden uttrycks av skillnaden på materialens brytningsindex. I vanliga material är brytningsindex positivt, men i metamaterial kan ljus av vissa frekvenser ändra riktning med en mycket större vinkel än vad som är möjligt i ett vanligt material (se bild nedan). Man säger då att metamaterialet har ett effektivt negativt brytningsindex. Genom att justera metamaterialet för att få ett speciellt värde på brytningsindex kan man använda denna egenskap för att styra ljusets väg, till exempel runt ett föremål man vill dölja.

Det finns emellertid två problem med detta. För det första är frekvensområdet där fotoniska kristaller har negativt brytningsindex ofta väldigt smalt, så med ett givet metamaterial fungerar det bara för ett fåtal frekvenser (d.v.s., man kanske skulle kunna bli osynlig i grönt ljus men inte rött eller blått). Det andra är att även om varje lager i den fotoniska kristallen är väldigt tunt så behövs det många lager för att få god effekt. Det betyder att även för synligt ljus, med en våglängd på under en mikrometer, kan en osynlighetsmantel av fotoniska kristaller bli rätt otymplig.

Sen min första kontakt med det här ämnesområdet har emellertid en annan typ av metamaterial blivit mer populärt. Istället för att använda material som inte är elektriskt ledande bygger man upp metamaterial av små metalliska element eller elektriska kretsar. Gemensamt för de flesta av de nya metamaterialen är att de utnyttjar olika resonansfenomen som kan uppstå i metalliska material som utsätts för elektromagnetisk strålning. Ett vanligt exempel är en så kallad ringresonator (split-ring resonator), som består av två ringar av metalliskt material där den ena är mindre och placerad inuti den andra. Ringarna har var sin öppning, som är placerade mittemot varandra (se bilden nedan, den är för övrigt lånad från Wikipedia-sidan). När den här konstruktionen utsätts för elektromagnetisk strålning orsakar det en elektrisk ström i ringarna (induktans) och ansamlingar av elektrisk laddning vid ringarnas öppningar (kapacitans). Dessa strömmar och laddningar påverkar i sin tur de omgivande elektriska och magnetiska fälten.











En stor skillnad mellan traditionella fotoniska kristaller och metamaterial med metalliska komponenter är att med metalliska komponenter bör de enskilda elementen i metamaterialet, som ringresonatorerna till exempel, vara mycket mindre än våglängden på den strålning man vill hejda eller styra. Det är positivt om man vill göra en "osynlighetsmantel" på lägre frekvenser (d.v.s., där strålningen har längre våglängd) men för synligt ljus stöter man på problemet att det fortfarande är rätt svårt att tillverka stora mängder komponener som bara är några tiotal nanometer stora, speciellt om man behöver tillverka dem med hög precision. Dessutom funkar även de metalliska metamaterialen också bara i begränsade frekvensområden som beror på de ingående elementens storlek. Frekvensområdet är lite bredare än för fotoniska kristaller, men såvitt jag kunnat ta reda på vore det fortfarande svårt att täcka hela det synliga spektrat. Trots att forskningen definitivt gått framåt verkar vi alltså inte vara särskilt nära en osynlighetsmantel à la Harry Potter än.

Slutligen bör jag nog också nämna att även om en osynlighetsmantel för synligt ljus vore rätt coolt så är det inte det som driver forskningen på området framåt. De flesta artiklar jag sett handlar om elektromagnetisk strålning med våglängder från någon millimeter upp till flera centimeter, som används för t.ex. radar. I det frekvensområdet funkar metalliska metamaterial rätt bra och har givna tillämpningar för de som vill göra sina stealth-flygplan ännu mer stealth-iga.

Batterier man kan klippa sönder. Kanske.

För ett rätt bra tag sen skrev jag ett inlägg om litiumjon-batterier och om ett nytt material som, om det väl kommer ut på marknaden, skulle kunna göra litiumjon-batterierna bättre och säkrare. Eftersom batterier är så viktiga som de är finns det emellertid fler forskare som försöker hitta batterimaterialet som löser alla problem, och fler förslag på hur det skulle kunna se ut. Det här inlägget handlar om ett annat sådant material, av en helt annan typ, som kanske kan bli en färdig produkt snabbare. Eller...?

Precis som i det förra inlägget handlar det om ett så kallat elektrolytmaterial, alltså det skikt i batteriet som leder litiumjoner från ena sidan till den andra (en längre förklaring finns i det förra inlägget). I det här fallet består elektrolyten av två komponenter: ett mineral som innehåller litiumjoner och en så kallad polymer. Uppfinnarna, som är knutna till det amerikanska startup-företaget Ionic Materials, hävdar att detta är ett vinnande koncept när det gäller både effektivitet och säkerhet, och har demonstrerat att deras batterier fungerar även när de klippts itu på mitten (gör inte detta med ditt mobilbatteri, det kan explodera). Jag har dock inte kunnat hitta någon vetenskaplig artikel som beskriver deras upptäckt. Den detaljerade information som finns tillgänglig, finns i deras patent.

Så vad är det som är så fantastiskt med en polymer-elektrolyt? Polymerer är en grupp av ämnen där molekylerna består av många mindre molekyler av samma sort som skapat kemiska bindningar mellan sig och därmed bildar en enda molekyl, lite som länkar bildar en kedja. Många, men inte alla, av de polymerer vi träffar på dagligen är vad vi kallar "plaster", som polyeten (i plastpåsar) eller polystyren (engångsmuggar), men både stärkelse och cellulosa räknas som polymerer eftersom de är uppbyggda som en kedja av glukosmolekyler.

Eftersom polymerer är så stora molekyler har de lite speciella egenskaper. Den som är viktigast här är att de inte stelnar på samma sätt som andra material när de kyls ner. Om vi kyler ner vatten under fryspunkten bildas iskristaller, där vattenmolekylerna sitter i regelbundna mönster som upprepar sig genom hela kristallen. Eftersom polymererna är så långa är det svårt att få dem att ordna sig i ett regelbundet mönster när man kyler ner dem, så istället hamnar de lite hur som. Ett fast material där molekylerna inte är ordnade som i en kristall räknas som en typ av glas, så därför hör man ofta att polymerer har en "glastemperatur" istället för en fryspunkt eller smältpunkt (som ju vatten har, t.ex). Lite mer komplicerat blir det dock med vissa polymerer, där delar av molekylerna hinner ordna sig till en kristall, men inte hela. Hur stor andel av polymeren som blir en kristall beror till exempel på hur fort man kyler ner den.

Det finns mycket forskning på polymerer i elektrolyter. Ofta verkar polymeren bilda en sorts nätverk som ger stadga åt batteriet, medan ett annat ämne som blandats in i polymeren gör att jonerna kan passera. Emellertid verkar tidigare polymer-elektrolyter ha varit beroende av att polymermolekylerna kan röra sig lite för att litiumjonerna ska kunna passera, vilket har gjort att man fokuserat på polymerer där bara en liten andel blivit kristall och att elektrolyterna fungerar som bäst vid lite högre temperaturer (ca 70 grader verkar vanligt). Det forskarna från Ionic Materials hävdar att de hittat en polymer-elektrolyt som helt undviker de problemen, och som i själva verket fungerar bäst om en större andel av polymeren lyckats bilda kristaller. Den lär yttermera visso vara lätt att producera och fungera bra ihop med själva elektroderna i batteriet.

Exakt hur nära Ionic Materials är att göra en faktisk, användbar produkt är lite svårt att avgöra eftersom vi i praktiken bara har deras egna uppgifter på hur bra materialet är. Hade det funnits en vetenskaplig artikel i en seriös tidskrift så hade det inneburit åtminstone nån sorts rimlighetskoll, men nu finns det inte det. De verkar också gå i en lite annan riktning än tidigare forskning genom att använda en mer kristallin polymer. Å andra sidan verkar de kunna visa upp ett fungerande batteri, och det är svårt att inte hoppas att de lyckas.

Oavsett så var det ju en bra ursäkt för att skriva lite om polymerer, eller hur?

Piezoelektriska tyger som tål vatten

När jag läste till min mastersexamen i fysik gick jag bland annat en kurs i funktionella material, och som en del av den läste jag in mig på så kallade smarta textilier. Smarta textilier är ett rätt brett begrepp, men kopplas oftast ihop med tyger som har invävda elektriska komponenter och kan mäta saker - en tröja som mäter EKG, gardiner som mäter temperatur och luftkvalitet, och så vidare.

Eftersom så många vardagsföremål är eller innehåller textilier är det lätt att hitta på spännande användningsområden för smarta textilier. Det verkar vara desto svårare att faktiskt få folk att använda dem - åtminstone har jag inte träffat på några produkter med smarta textilier än och första gången jag kom i kontakt med ämnet var för nästan 10 år sen. Man kan misstänka att det har att göra med att själva den "smarta" delen, den invävda elektroniken, har egenskaper som inte riktigt går ihop med det vi normalt sätt väntar oss av tyg. Elektriskt ledande tråd är i regel av metall, vilket kan bli obekvämt i ett klädesplagg, eller gjord av en elastisk polymer (alltså, en typ av plastmaterial) med kimrök i. Kimrök är svart (kallas också carbon black, för övrigt) så då blir ju färgerna lite begränsade. Dessutom kan elektroniken ha svårt att tåla inte bara vattentvätt utan också regn och till och med svett, på grund av risken att vätan skapar elektrisk kontakt mellan olika komponenter och därmed kortsluter dem.

Emellertid fick jag i veckan nys om en nyutvecklad smart textilie som inte har något problem med fukt, tvärtom. Det handlar om ett piezoelektriskt tyg som kan användas för att utvinna rörelseenergi, utvecklat av bland andra Chalmers Tekniska Högskola och Textilhögskolan i Borås (artikeln finns här). I piezoelektriska material skapar mekanisk belastning (att man drar i/trycker på dem, till exempel) ett elektriskt fält. De flesta piezoelektriska material uppvisar också den omvända effekten och börjar röra på sig om de utsätts för elektriska fält.

Det piezoelektriska tyget innehåller PVDF, ett plastmaterial som kan vara piezoelektriskt om man producerar det på rätt sätt. Tanken är att mekanisk belastning på tyget ska leda till att elektriska fält bildas i PVDF-trådarna (tack vare de piezoelektriska egenskaperna), och att man sen ska kunna använda den elektriska energin för att t.ex. ladda ett batteri. Den mekaniska belastningen kan komma från rörelser hos den som använder tyget, t.ex. om det finns insytt i remmen till en väska och personen som bär väskan går i trappor.

För att kunna dra nytta av det elektriska fältet måste det dock kunna generera en elektrisk ström, vilket betyder att man behöver konstruera en sluten elektrisk krets. Man behöver då två elektriskt ledande trådar i nära kontakt med den piezoelektriska tråden. I det här fallet har man löst det genom att spinna en elektriskt ledande tråd och det piezoelektriska materialet tillsammans på ett sådant sätt att det piezoelektriska materialet bildar ett hölje runt den elektriskt ledande syntettråden. Sen har man använt den tråden som varp (trådarna som sitter i vävstolen från början) och en annan elektriskt ledande tråd som inslag i tyget (tråden som man väver med, den som sitter i skytteln om man väver för hand). För att sluta kretsen använder man sen de ledande trådarna från både varpen och inslaget.

Anledningen till att den här varianten av smarta textilier inte är så vattenkänslig är just att den ena ledande komponenten är inkapslad i ett icke-ledande material (PVDF). Det innebär att även om tyget blir blött så blir det ingen direkt elektriskt kontakt mellan elektroderna, och därför ingen kortslutning. Det gäller förståss bara så länge PVDF-höljet är intakt, så man kan misstänka att slitage kommer att få tyget att fungera sämre och sämre. Trots det är det som alltid lätt att hitta på tillämpningar - en väska som laddar mobilen åt en kanske?

Kolelektronik och bandgapets betydelse

Det finns en självuppfyllande profetia som många förmodligen hört talas om, som kallas Moores lag. Den formulerades av Intels grundare Gordon E. Moore och säger att antalet transistorer som får plats på ett chip växer exponentiellt. Det betyder att man kan tillverka mer och mer kraftfulla processorer och därmed också snabbare och bättre datorer. Att jag kallar det en självuppfyllande profetia beror på att både industrin och forskarvärlden jobbat rätt hårt genom åren för att Moores lag ska fortsätta gälla.

På senare tid har det dock börjat gnissla lite i maskineriet, i takt med att man börjar närma sig gränserna för dagens teknik. Transistorerna i dagens datorer är gjorda i halvledarmaterialet kisel, och det finns gränser för hur små kiselkomponenter kan bli innan man börjar få problem med diverse lustiga kvanteffekter. Det är med andra ord hög tid för branschen att hitta på nåt nytt.

Eftersom grundämnet kol finns med i titeln på den här texten kunde man tro att lösningen skulle vara supermaterialet grafen, men grafen är faktiskf inte det mest uppenbara valet om man vill ersätta kisel rakt av. För att förstå varför behöver vi ta oss en närmare titt på vad en transistor gör, och varför det är så viktigt att kisel är en halvledare. 

Först måste vi dock påminna om vad en halvledare är (om man redan har koll på detta kan man hoppa till nästnästa stycke). Många material i vår omgivning är isolatorer som inte leder elektrisk ström alls, som glas och trä till exempel. Det beror på att elektronerna i dessa material sitter fast. Elektroner i ett fast material kan existera i olika energitillstånd, så kallade band. Om ett band blir helt fullt av elektroner kan de elektronerna inte förflytta sig genom materialet. Det är så det ser ut i exempelvis glas: vissa band är helt fulla, andra helt tomma, och om en elektron ska flytta sig från ett fullt band till ett tomt krävs stora mängder energi (ofta så mycket att materialet smälter istället). Å andra sidan har vi också metaller som koppar eller silver, som leder elektrisk ström bra. Det beror på att istället för bara fulla och tomma band har de också ett lite halvfullt band, och elektronerna där kan lätt fara iväg om de känner av ett elektriskt fält (som när du drar en koppartråd mellan polerna på ett batteri till exempel).

Om vi undersöker en halvledare vid låg temperatur (säg i ett bad av flytande kväve) ser de ut som isolatorerna trä och glas, med helt fulla eller helt tomma band. Om vi tar upp dem ur kvävebadet och låter dem nå rumstemperatur ser vi dock att de börjar leda elektrisk ström, inte alls lika bra som metaller men mycket bättre än en genomsnittlig träbit. Det beror på att energiskillnaden mellan de fulla och de tomma banden är tillräckligt liten för att värmeenergin vid rumstemperatur ska kunna knuffa upp några elektroner från de fulla banden till det tomma. Elektronerna som hamnat i de tomma bandet kan då börja förflytta sig, och eftersom de lämnat ett tomt utrymme bakom sig i det tidigare fulla bandet kan elektronerna där också bli rörliga. Energiskillnaden mellan det fulla och det tomma bandet kallas bandgap.

Halvledare är viktiga inom elektronik för att man relativt enkelt kan justera deras ledningsförmåga på olika sätt. Om man till exempel tillsätter små mängder av ett annat grundämne, ofta gallium eller arsenik, till kisel kan man höja ledningsförmågan. Detta kallas att dopa halvledaren och beror på att de andra grundämnena skapar "mellannivåer" mellan det fulla och det tomma bandet. Eftersom de här dopämnena själva har antingen fler eller färre elektroner per atom än den ursprungliga halvledaren får man dock två sorters dopning: Om dopatomen har fler elektroner än halvledaren får man ett överskott av elektroner (n-doping) och har den färre får man ett underskott som leder till nåt som kallas elektron-hål (p-doping).

Man kan också styra ledningsförmågan efter att halvledaren tillverkats. Säg till exempel att du har tre halvledar-bitar, två p-dopade på vardera sidan och en n-dopad i mitten. Den tingesten kommer knappt att leda någon ström alls, vilket beror på att det är svårt för elektronerna att ta sig från ett p-dopat område till ett n-dopat. Om man nu lägger ett elektriskt fält på den n-dopade biten i mitten, på tvärs mot de p-dopade delarna, så kan man få elektronerna att samlas i en del av det n-dopade området. Blir fältet tillräckligt starkt kan det till och med skapa en liten kanal där det är underskott på elektroner, och då börjar hela strukturen leda ström (eftersom vi har underskott på elektroner på båda sidor och i en kanal i mitten kan de ta sig hela vägen igenom). Detta är grundprincipen bakom en fälteffekttransistor, den transistortyp som gör jobbet i din dator, platta eller smartphone.

Men grafen då? Grafen räknas som en halvledare, men har den egenheten att dess bandgap är noll. Det betyder att i transistorsammanhang beter sig grafen nästan som en metall, och går därför inte att använda i transistorer som det är. De som tillverkar transistorer i grafen måste därför försöka öppna upp ett bandgap på något sätt, exempelvis genom att placera grafenet på olika substrat eller modifiera ytan. (En annan approach är att frångå fälteffekt-tekniken och satsa på att manipulera elektronernas spin med ett magnetfält istället.)

Emellertid behöver man inte ge upp bara för att grafen har visat sig vara besvärligt - det finns nämligen andra spännande kolstrukturer att använda. En variant som man jobbat på länge, men som verkar ha fått mycket uppmärksamhet på sistone, är så kallade kolnanorör. Ett kolnanorör kan beskrivas som ett hoprullat grafenplan, och är nästan lika häftigt som grafen - nästan lika bra ledningsförmåga, mekaniskt starkt, lätt och bra på att leda värme. Nanorör kan dessutom bete sig antingen som metaller eller som halvledare, beroende på exakt hur de är "hoprullade". Lyckas man bara välja ut de halvledande nanorören så kan man få en superliten, supertunn transistor.

Emellertid vill forskare i regel ta det längre än så. Ett exempel är den grupp från Stanford som konstruerat ett tredimensionellt chip där samtliga transistorer baseras på halvledande kolnanorör. Det är inte hela strukturen som består av kol - den står på en bottenplatta av konventionella halvledare, arbetsminnet består av metall och hafniumoxid och nanorören är förbundna med metalliska elektroder. Ändå är nanorörs-transisitorerna speciella, och inte bara för att nanorören är så tunna. Eftersom de har en mycket lägre tillverkningstemperatur än ett vanligt kiselchip kan man bygga på den tredimensionella strukturen lager för lager, istället för att producera varje lager för sig och sedan bygga ihop dem i efterhand. Det har möjliggjort en tätare struktur med snabbare informationsöverföring. Prototypkretsen som forskargruppen konstruerat kan känna igen vanliga gaser i atmosfären, genom att det översta lagret kolnanorör fungerar som sensorer och de undre lagren har programmerats med en självlärande algoritm som klassificerar sensorernas signaler.

Ett sånt tredimensionellt chip är ju onekligen lite häftigt, och lär bli ännu häftigare när tillverkningsmetoderna blivit mer förfinade. En möjlig förbättring diskuteras längst ner i artikeln jag länkat till ovan. Där påpekas att en annan forskargrupp, denna gång från företaget IBM, lyckats minska ytan som en kolnanorörs-transistor tar upp ytterligare genom att förbättra kontakten mellan kolnanoröret och molybdenelektroderna som leder signalen till och från röret. De har lyckats med detta genom att skapa starka kovalenta bindningar mellan elektroden och nanoröret, vilket ger bättre ledningsförmåga över en mindre kontaktyta.

Moore's lag kanske kan klara sig ett tag till trots allt.

Bättre batterier med glas?

Vad har en smartphone, en laptop och en elbil gemensamt? Antagligen flera saker, men den jag tänker på just nu är att de kräver kompakta, säkra, uppladdningsbara batterier. Idag betyder det i regel ett så kallat litium-jon-batteri.

Som i andra batterier (och bränsleceller, faktiskt) är huvudbeståndsdelarna i ett litiumbatteri två elektroder, en positiv och en negativ, åtskilda av en elektrolyt. I fallet med litiumbatterier består den negativa elektrolyten ofta av ett poröst kolmaterial som kan lagra litiumjoner (grafit till exempel), medan den negativa är en kemisk förening av litium och andra grundämnen, ofta kobolt och syre. När batteriet laddas upp flyttar sig positiva litiumjoner från den negativa elektroden genom elektrolyten till den positiva elektroden, där de blir inbäddade i kolmaterialet. Om du sen slår på mobilen eller datorn, eller startar elbilen, börjar batteriet laddas ur. Då flyttar sig litiumjonerna tillbaka till den negativa elektroden, vilket driver en ström av elektroner från den positiva elektroden, genom kretsarna i telefonen eller bilen, tills de återförenas med litiumjonerna i den negativa elektroden.

Nåja, i själva verket är det inte riktigt så enkelt, till stor del på grund av just elektrolyten. Elektrolyten behöver ha egenskaperna att den kan transportera litiumjoner snabbt, samtidigt som den inte får släppa igenom några elektroner (för då blir det kortslutning). I litiumbatterier brukar lösningen på detta vara salter av litium upplösta i vad man kallar ett organiskt lösningsmedel, alltså någon typ av kolväte i vätskeform.

Att ha en vätska i batteriet har sina sidor bara det - den kan ju till exempel läcka ut om det går hål. I just det här fallet finns det dessutom två andra problem. Det ena är att lösningsmedlen är lättantändliga. Det andra är att om de här lösningsmedlen och metalliskt litium funkar ungefär som vatten och olja - de trivs inte ihop. Visserligen ska inte uppladdningsbara litiumbatterier innehålla metalliskt litium, men när de laddas upp kan det bildas metalliskt litium på den positiva elektroden. På grund av hur litium funkar ihop med elektrolyten bildas det då långa nålar eller stavar av litium, ofta kallade dendriter. När dendriterna blir så långa att de når den andra elektroden kortsluts batteriet och det blir väldigt varmt, vilket kan sätta eld på elektrolyten och orsaka en explosion. I moderna litiumbatterier undviker man det här bland annat genom att styra vid vilken spänning batteriet laddas.

Men visst vore det bättre om man kunde hitta en säkrare elektrolyt? Det är det många som tycker, bland annat professor John Goodenough vid Cockrell School of Engineering, University of Texas, Austin. Goodenough med kollegor har nyligen publicerat en artikel i tidskriften Energy and Environmental Science, där de beskriver en helt ny elektrolyt för litium- och natriumbatterier. Den nya elektrolyten är inte en vätska utan ett "glas" - inte som i fönsterglas, utan i betydelsen att atomerna inte sitter i ordning utan lite huller om buller. Det här glaset funkar tydligen betydligt bättre ihop med metalliskt litium, vilket leder till att om det bildas metalliskt litium vid uppladdningen kommer det att sprida sig över gränsskiktet mellan elektroden och elektrolyten istället för att utvecklas till dendriter. Faktum är att Goodenough et al. ser möjligheter att använda metalliskt litium i sig som elektrod, vilket skulle kunna minska batteriets volym.

Utan dendriter, brandrisk och läckage skulle ett batteri med den nya glaselektrolyten kunna vara betydligt säkrare än dagens batterier, men det finns en annan sak som nästan är mer spännande: Man tror att man ska kunna använda den till natriumbatterier, inte bara litium. Natriumjonen är mycket större än litium och tidigare har man inte kunnat använda den i batterier för att transporten genom elektrolyten blir för långsam. Nu hävdar Goodenough med kollegor att den nya elektrolyten kan transportera natrium tillräckligt fort, vilket skulle innebära stora fördelar. Medan litium bara kan utvinnas på ett fåtal latser världen över, och därför är rätt dyrt, finns natrium i regel nära till hands (i vanligt koksalt, NaCl, till exempel). Natriumbatterier skulle därför kunna var ett bättre alternativ om man vill ersätta stora mängder bensindrivna bilar med elbilar - och det verkar det ju finnas många som vill.

Om man vill läsa mer om detta, men inte vill läsa den vetenskapliga artikeln (som faktiskt är tillgänglig gratis, tack Royal Society of Chemistry) har IEEE Spectrum skrivit om den här.