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.
fredag 30 december 2011
tisdag 20 december 2011
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.
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.
tisdag 6 december 2011
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.)
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.)
Prenumerera på:
Inlägg (Atom)