Färg, färg på väggen där...

Nu har det varit jul och man skulle kunna tro att jag tagit mig tid att skriva något djuplodande om bariumzirkonat och bränsleceller. Istället har jag ägnat mig åt att måla väggarna i hallen rosa, vilket fick mig att tänka på ett annat roligt fenomen: icke-newtonska vätskor. (Om du inte tycker att icke-newtonska vätskor verkar kul, kolla här.)

Fenomenet som visas i klippet ovan kallas shear thickening (skjuvningsförtjockning). Vätskan som de går på är en blandning av majsstärkelse och vatten. När man rör i den långsamt beter den sig som en vanlig vätska, men om man rör i den snabbt (eller hoppar på den) ger den inte efter utan beter sig som ett fast material. Detta beror på att majsstärkelsen bildar små korn som stöter bort varandra. När man rör långsamt i vätskan är kraften man utövar på kornen mindre än den repulsiva kraften mellan dem, så de glider undan. När man rör med hög hastighet utöver man en större kraft och får kornen att röra sig snabbare. De kan då krocka med varandra och packas ihop, vilket gör att vätskan känns hårdare.

En vätska som består av ett lösningsmedel, till exempel vatten, och en eller flera sorters partiklar kallas en kolloidal suspension eller en kolloidal lösning. Det är inte alla lösningar som är kolloidala - partiklarna i lösningen ska vara betydligt större än molekylerna i lösningsmedlet men fortfarande så små att de kan påverkas av hur molekylerna rör sig (större än en vattenmolekyl men mindre än en fotboll, som en föreläsare jag haft uttryckte det).

Motsatsen till skjuvningsförtjockning är skjuvningsförtunning, att en vätska flyter lättare när man påverkar den med en större kraft. Det var det som fick mig att tänka på de här fenomenen när jag målade eftersom det är en egenskap man gärna vill att målarfärg ska ha: Den ska vara "tunn" och lätt att smeta ut när man bearbetar den med penseln (stor kraft) men inte rinna nerför väggen när den väl strukits på (liten kraft). När man rör snabbt i vätskan kan partiklarna flytta sig för att hitta en position där de får låg energi, vilket gör att vätskan blir mer lättflytande. Rör man däremot långsamt hinner partiklarna knuffas tillbaka till sina utgångslägen av termiska (temperaturdrivna) rörelser i vattnet. Då känns vätskan tjockare.

I torsdags var Nobelpristagaren i kemi, Dan Shechtman, i stan och höll ett väldigt trevligt föredrag om sin upptäckt av så kallade kvasikristaller. Själva upptäckten har beskrivits så bra på andra ställen att jag tänkte haka upp mig på en av de saker han pratade om under sitt föredrag, nämligen förutsättningarna för att upptäckten skulle kunna göras. Han berättade att TEM, transmissionselektronmikroskopet, var en förutsättning för att kvasikristallerna skulle kunna upptäckas.

När en fysiker, kemist eller liknande använder ordet kristall  menar hen ett material där atomerna sitter i en ordnad struktur som följer ett visst mönster, till skillnad från amorfa material som glas där de sitter lite huller om buller. En bergskristall är verkligen en kristall eftersom atomerna i den sitter ordnat medan kristallglas inte består av kristall utan är just ett glas. För att studera hur atomerna sitter - vilket mönster kristallen följer - använder man ofta diffraktion.

Diffraktion är samma fenomen som får oljefläckar på vattenpölar att skimra i olika färger. När ljus från solen träffar oljans yta kommer en del av det att reflekteras och en del att transmitteras, alltså fortsätta ner genom oljelagret. När det transmitterade ljuset når vattenytan reflekteras återigen en del, medan resten fortsätter ner i vattenpölen. När det reflekterade ljuset når upp till ytan igen kommer det att samverka med ljuset som reflekterades första gången. Eftersom ljus består av vågor kommer de två reflekterade ljusstrålarna att förstärka eller försvaga varandra. Vilket det blir beror på ljusets våglängd, eller färg, och hur tjockt oljelagret är. Det spelar också roll ur vilken vinkel man ser ytan. Eftersom oljefläcka sällan är jämntjocka över en hel vattenpöl kommer olika färger att förstärkas på olika ställen, och därför ser vi en skimrande färgrik yta.

Men vad har det med kristaller att göra? De välordnade atomerna i en kristall fungerar på samma sätt som gränsen mellan olja och vatten, på så sätt att de reflekterar en del strålning. Eftersom det finns många atomer som sitter fördelade i olika plan kommer strålningen att förstärkas eller försvagas i olika riktningar, vilket ger upphov till ett så kallat diffraktionsmönster. Ur ett diffraktionsmönster kan man sedan med lite beräkningar utläsa kristallens struktur. Eftersom avståndet mellan atomerna i en kristall är mycket mindre än tjockleken på en oljefläck krävs det också ljus med mycket kortare våglängd för att man ska kunna se fenomenet. Därför använder man ofta röntgenstrålning, som har en väldigt kort våglängd.

Nu var det emellertid ett TEM som Dan Shechtman hade använt. Ett TEM är en sorts mikroskop där man använde elektroner istället för ljus. Elektroner och andra elementarpartiklar har också en våglängd som beror på deras hastighet och massa. Elektronernas våglängd är mindre än våglängden hos ljus, vilket gör att man kan använda dem för att avbilda mindre föremål. Shechtman kunde alltså fokusera på en mindre del av sitt material när han använde elektroner än vad han kunnat med röntgenstrålning. (Det finns för all del några nackdelar med att använda elektroner också. Faktum är att TEM och dess kusin SEM, skanningselektronmikroskop, nog förtjänar en helt egen bloggpost framöver.)

Att man kan avbilda mindre saker, och fokusera en stråle av elektroner på en mindre yta än man kan fokusera en ljusstråle, var betydelsefullt i fallet med kvasikristallerna eftersom de var så små. Själva materialet var säkert inte så litet, men bestod av många kristallkorn med olika orientering. Om bredden på strålen man skickar in är större än kornen kan man då inte se deras kristallstruktur ordentligt, och kvasikristallerna var för små för röntgendiffraktion. Man hade inte kunnat se dem tidigare eftersom mätinstrumenten inte var tillräckligt känsliga. Sådant tycker jag är intressant - och lite spännande eftersom våra mätinstrument hela tiden blir känsligare.

Det svänger om grafen

Förutom att räkna på protonledaren barium-zirkonim-oxid (som jag ska skriva mer om här en vacker dag) så har jag också påbörjat ett projekt där jag räknar på grafen. Ni vet, kolmaterialet som är en atom tjockt och som först framställdes med hjälp av grafit och tejp (och som resulterade i ett Nobelpris förra året). Sen det här materialet upptäcktes har det dykt upp många fantasifulla idéer om vad det kan användas till - böjliga pekskärmar, till exempel. 

Det jag räknar på är ett nanoelektromekaniskt system, eller NEMS. I ett NEMS kombineras elektriska strömmar eller spänningar med mekaniska rörelser. Exempelvis kan man lägga en bit grafen på ett underlag (substrat) med hål i, så att grafenet liksom hänger över ett hålrum. Har man då placerat en elektrod i botten på hålet kan man lägga på en elektrisk spänning som får grafenet att börja svänga upp och ner. Det jag vill undersöka är vad som händer i kontaktytan mellan grafenet och underlaget, eftersom den kontakten är viktig för hur fort rörelseenergin försvinner från den svängande delen av grafenet.

Något jag inte visste innan jag gav mig in på detta är att man faktiskt har ett tänkbart användningsområde till sådana här system. Om det kommer en molekyl och fastnar på det vibrerande grafenet ändras nämligen frekvensen, vilket gör att man kan mäta små mängder av olika ämnen med de här strukturerna. Sätter man från början fast molekyler på grafenlagret som gärna binder vissa andra molekyler får man ett väldigt känsligt mätinstrument för om ett visst ämne finns i ett prov, vilket kan vara viktigt för exempelvis diagnostik av sjukdomar. Att systemet är just av nanostorlek är viktigt för känsligheten. Mätningen blir nämligen mer och mer precis ju högre resonansfrekvensen är, något som bestäms av systemets storlek. (För er som har tillgång till vetenskapliga artiklar är Eom et al. Nanomechanical resonators and their applications in biological/chemical detection: Nanomechanical principles, Physics reports 503 115 (2011) en bra källa till mer information. Jag har försökt hitta någon mer lättläst, och allmänt tillgänglig, text men inte lyckats.)

Språkförbistring

Just nu undervisar jag på en kurs som innehåller övningar i datorsal, där jag och den andre assistenten går runt och hjälper studenterna med olika övningar. Häromdagen råkade jag säga följande (ungefär):
"... så för att reducera mängden brus i power spectrum behöver du räkna ut ett average..."
(Paus)
"...eller medelvärde. Heter det ju på svenska."

Saken är den att kursboken och allt annat material till kursen, som uppgiftstexter och föreläsningsanteckningar, är på engelska. Vi har dessutom internationella studenter som vi pratar engelska med eftersom det är det enda gemensamma språket. Då får man ibland små hjärnsläpp när man faktiskt pratar svenska med någon.

Att materialet är på engelska är inte unikt för masterskurserna. Från de fem år jag läste fysik som grundstudent kan jag påminna mig fyra kursböcker och ett kompendium på svenska, men antalet böcker på engelska ligger nog närmare femton. Vissa termer lär man sig helt enkelt inte på svenska - att average heter "medelvärde" är ju ganska enkelt, men power spectrum måste jag slå upp. Eftersom jag inte hittar det i mitt engelsk-svenska lexikon gissar jag på "effektspektrum", vilket faktiskt finns på svenska Wikipedia - så då finns det ett ord i alla fall.

Emellertid är det ju så inom forskningen att man ibland hittar nya saker och hittar på nya namn för dem. Detta gör man på det språk man skriver sina vetenskapliga artiklar på, det vill säga engelska. Det gör att vissa företeelser inte har några bra namn på andra språk, och direktöversättningar känns ofta väldigt styltade. Att ha en modell för hur protoner stöts bort av defekter med samma laddning i korngränser och kalla modellen för space charge model känns väl ganska okej, men "rymdĺaddningsmodellen"?

För att undvika fadäser som den ovan har jag hursomhelst ambitionen att ta reda på vad saker heter på svenska även om jag lär mig begreppen på engelska. Och skulle jag behöva hitta på ett namn på en nyupptäckt företeelse någon gång så ska jag hitta på ett namn på svenska. Också.

Jorden från ovan

En som heter Michael König har satt ihop en video av bilder tagna från den internationella rymdstationen ISS under början av hösten. Ni hittar den här och den rekommenderas till alla som vill veta hur norrsken ser ut när man är ovanför det.

Vad ska det vara bra för?

Det verkar som om diskussionen kring universitetsutbildningens nytta inte är helt död. Åtminstone publicerades en krönika på ämnet i Göteborgs-Posten igår (länk kommer så fort jag hittar den på nätet). Det är Svenskt Näringslivs rapport "Konsten att strula till ett liv" som är temat igen, med sina förslag på sänkt studiemedel för bland annat humaniora. Eftersom jag inte bloggade när diskussionen var som hetast i somras tänkte jag ta tillfället i akt att skriva ner några funderingar nu.

På ett sätt är det ganska lätt att sätta sig in i problemet: Studenter som inte får jobb på sin utbildning får det svårt när studietiden är slut och lånen ska betalas tillbaka. Däremot är det inte lika uppenbart att lösningen är att få färre studenter att gå de här utbildningarna. Det kan också handla om att man faktiskt får kompetenser som är värdefulla i arbetslivet men som folk inte fattar att man har - ett problem som vi fysiker kan känna igen oss i, för övrigt. Då handlar det snarare om att kommunicera med arbetsgivarna så att de förstår vilka de borde anställa, egentligen.

Emellertid tycker jag att det finns ett större problem med resonemanget att studier i humaniora, och i förlängningen forskning i humaniora och samhällsvetenskap, inte skulle vara nyttig. Drar man det till sin spets verkar det handla om att betrakta en ökande BNP som den enda möjliga nyttan. Vad därutöver är, är privatsaker, och den "onyttiga" kurserna beskrivs också gärna som hobbykurser. (För all del, det finns säkert kurser som gör sig bättre på Folkuniversitetet. Men ska man dra all humaniora över en kam för det?) 

Jag skulle vilja påstå att jag personligen har nytta av att det finns personer som väljer att utbilda sig till statsvetare, litteraturvetare och filosofer. Det är inte fråga om någon ekonomisk nytta, utan nyttan av att det finns människor som tänker på de frågor jag ställer mig om samhället. Sven-Eric Liedmans populärvetenskapliga böcker i idéhistoria kan hjälpa mig att se rötterna till de tankeströmningar vi har i samhället idag, och litteraturvetenskapliga texter som Nina Björks "Fria själar" ger intressanta inblickar i bakgrunden till ideologier och föreställningar vi annars tar för givna. Jag läser sådana texter för att få ett bättre grepp om vart samhället kan tänkas vara på väg och därmed en bättre aning om vart jag skulle vilja att det var på väg - något som åtminstone är relevant i mitten av september vart fjärde år.

Vi behöver ha folk som försöker tolka och förstå både samtiden och historien för att kunna fatta bra beslut som medborgare. Att jag läser böcker i idé- och lärdomshistoria är definitivt en hobby, men någon måste ju skriva dem också.

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.

Roligt på räkneövningen?

Egentligen hade jag tänkt att det första inlägget här skulle handla om mitt forskningsprojekt, men det inlägget visade sig ta oanat lång tid att skriva så jag får ta det här först.

Sen några veckor tillbaka går jag en kurs i pedagogik. Den är fokuserad på aktivt lärande, som handlar om att man ska aktivera studenterna i föreläsningssalen istället för att de ska sitta och lyssna hela tiden. Idén bygger delvis på studier som bekräftar det jag alltid misstänkt, nämligen att man inte lär sig speciellt effektivt på föreläsningar om man inte är väldigt väl förberedd. En metod för att öka inlärningen är att ta pauser där studenterna förväntas gå igenom sina anteckningar och jämföra med grannen, eller ge dem små uppgifter att lösa under lektionen och sedan diskutera svaren. Det där sista är ju som gjort för att testas på räkneövningar, vilket jag har gjort i begränsad omfattning - jag vet inte om det ökade inlärningen men jag fick intrycket att det minskade antalet gäspningar lite.

I pedagogikkursen ingår också att man ska hålla en del av en lektion av något slag för de andra kursdeltagarna och få respons. Detta gjorde jag i fredags och jag tog naturligtvis en bit av en räkneövning. En hel del av kommentarerna efteråt handlade om att motivera problemet - varför är det egentligen intressant att använda ideala gaslagen för att räkna ut antalet molekyler i luften i ett rum? Svaret är naturligtvis att det är inte så intressant, men det är bra att lära sig använda ideala gaslagen eftersom den är användbar (exempelvis kan man härleda ett hyfsat uttryck för effektiviteten hos en vanlig bensinmotor från den). Ska man lära sig måste man ofta traggla, men hur man ska bära sig åt för att göra den sortens uppgifter intressanta och roliga är så vitt jag vet ett olöst problem.