På en skala - om Nobelpriset i kemi

Man hade kunnat tro att jag skulle skriva något om Higgs-partikeln idag eftersom jag är fysiker, men det tänkte jag inte göra. Anledningen är att elementarpartikelfysik och högenergifysik ligger ganska långt bort från det jag själv gör, och det finns andra som kan skriva bättre om Higgsen (Forskning och Framsteg, till exempel). Istället är det årets kemipris som ligger åtminstone i närheten av en del saker jag gör. Eftersom det dessutom lider av en ganska kraftig överförenkling i pressmeddelandet så tänkte jag skriva en liten text om det här.

Nobelpriset i kemi i år tilldelas Martin Karplus, Michael Levitt och Arieh Warshel "för utvecklandet av flerskalemodeller för komplexa kemiska system". De har lyckats kombinera tre olika sorters datormodeller för att få en bra beskrivning av till exempel reaktioner mellan biomolekyler (proteiner, etc.) utan att för den skull behöva orimligt långa beräkningstider. Detta har man åstadkommit genom att dela in systemet man vill studera i olika delar, som beskrivs med olika metoder.

Vi kan börja längst in, med de atomer som är direkt inblandade i den kemiska reaktionen. För att få en bra bild av vad som händer här behöver man skaffa sig en modell av hur atomernas elektroner beter sig. Det är nämligen fördelningen av elektroner runt atomkärnorna som avgör om atomerna sitter ihop med varandra eller inte, och hur stark bindningen är (vilket jag skrivit om här). För att hålla koll på elektronerna använder man det som kallas första prinicp-beräkningar, där man löser Shrödingers ekvation. Med sådana metoder utgår man från att alla atomkärnor sitter på ett visst sätt och sedan beräknar man hur elektronerna fördelar sig runt dem. Utifrån elektronernas fördelning kan man räkna ut vilka krafter som verkar på atomkärnorna och hur de kommer att flytta på sig på grund av de krafterna. (Eller hur de borde flytta på sig för att få lägsta möjliga energi. Det beror lite på vad man är intresserad av.)

Nästa område innefattar alla atomer som är en del av molekylerna men som inte är direkt involverade i reaktionen. Eftersom biomolekyler ofta är ganska stora så kan det finnas många sådana atomer, så många att om man skulle beskriva alla med första princip-metoder skulle man knappt kunna utföra beräkningen. Istället beskriver man dem med hjälp av så kallade modellpotentialer. En modellpotential är konstruerad för att beskriva hur krafterna mellan atomer i ett material ser ut, till exempel kan en modellpotential innehålla termer som motsvarar kraften mellan två elektriskt laddade partiklar (jonbindning) eller vinkelberoende termer som motsvarar kovalenta bindningar. Oftast tar man hjälp av resultat från första princip-beräkningar och experiment för att avgöra exakt hur potentialen ska se ut. Eftersom man inte måste hålla reda på elektronerna utan bara betraktar atomerna som bollar med en viss massa så kräver sådana här beräkningar mycket mindre datorkraft än första princip-beräkningar.

Det är för övrigt i kopplingen mellan första princip-metoder och modellpotentialer som pressmeddelandet i mitt tycke är överdrivet förenklat. Där står att pristagarna "lyckades få Newtons klassiska fysikaliska lagar att samarbeta med den fundamentalt annorlunda kvantfysiken", men det är inte riktigt så enkelt. Både första princip-beräkningar och modellpotential-beräkningar använder nämligen Newtons klassiska lagar för att beräkna hur atomkärnorna, som står för större delen av massan, rör sig. Skillnaden mellan metoderna ligger i hur man beräknar kraften mellan kärnorna, och där är första princip-metoderna direkt grundade på kvantfysiken medan modellpotentialerna är det indirekt, genom att de konstrueras för att efterlikna resultatet av första princip-beräkningar (eller experiment). Så det handlar inte riktigt om att jämka ihop kvantfysik och klassisk fysik, utan om två sätt att beskriva krafter i ett system - vilket naturligtvis inte gör pristagarnas insats mindre fantastisk.

Slutligen måste vi också beskriva det som finns runt omkring molekylerna man vill studera. Eftersom det är biomolekyler vill man antagligen ofta studera dem i någon form av vattenlösning, men man är inte speciellt intresserad av hur varje enskild vattenmolekyl beter sig. Därför struntar man i molekylerna och beskriver omgivningarna som en slät, homogen massa. Det är ett ännu mindre krävande när det gäller datorkraft än vad molekylärdynamik är, men går såklart inte att använda om man vill veta hur atomerna rör sig.

En annan intressant sak är att principen bakom Nobelpristagarnas insats, d.v.s. att använda olika beräkningsmetoder för olika delar av ett system, numera också används för att räkna på t.ex. hur sprickor bildas i material. Faktum är att det var det första jag tänkte på när jag hörde talas om vad de fått priset för.

Lise Meitner-priset 2013

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

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

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

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

Avslutningsvis, några visdomsord från xkcd.com:

Mysteriet med Sherlocks kemikunskaper (och lite annat)

Jag ser att det i vanlig ordning har blivit ett ganska långt uppehåll här på bloggen. Den här gången tänker jag skylla på att jag läst en av de kurser som jag behöver för min examen, och det blev ganska intensivt i andra halvan av maj när tentan närmade sig. När den väl var överstånden var jag naturligtvis tvungen att kasta mig över forskningen, som också den blivit lite lidande av tentaplugget.

En del saker har jag ändå hunnit med parallellt med kursen, till exempel att granska en populärvetenskaplig artikel om min licentiatuppsats. Det var institutionens duktige kommunikatör ville skriva den och publicera på Styrkeområdet Materialvetenskaps sidor, som ett exempel på vad vi gör.

Ett annat styrkeområde (alltså, ett tvärvetenskapligt forskningsfält som Chalmers satsar på) är nanovetenskap och -teknik. Jag råkar vara med där också med mitt lilla grafenprojekt, men styrkeområdet är oerhört mycket större än grafen - det sträcker sig från kvantdatorer via nanopartiklar till biologi och medicin. Jag fick en uppfattning om precis hur brett fältet är i förra veckan när vi hade en minikonferens med massvis med intressanta seminarier. Som vanligt får jag inte riktigt plats med allt i ett inlägg och får hoppas att jag kan återkomma till det senare. Däremot ska jag genast dela med mig av det icke-fysikrelaterade guldkornet: En kemiprofessor från Edinburgh nämnde i inledningen på sitt föredrag att sir Arthur Conan Doyle studerade medicin, och lite kemi, vid University of Edinburgh. Man har kunnat visa att all kemi i Sherlock Holmes-böckerna faktiskt griper tillbaka på en kurs som Doyle gick!

Pseudovetenskap: Ta debatten eller ta det lugnt?

För åtskilliga månader sedan läste jag om projektet "Thrive" i en debattartikel i en tidning jag prenumererar på. Enligt artikeln skulle dokumentären "Thrive" ge möjliga svar på hur man ska kunna möta peak oil och klimatkrisen och sådant är ju alltid intressant. Efter lite googlande fick jag fatt i en trailer till dokumentären.

Trailern gav vid handen om att det hela egentligen handlade om hur intelligenta utomjordingar besökt Jorden under förhistorisk tid och lämnat efter sig ett mystiskt mönster i olika stenar. Detta mönster har på något oklart sätt inspirerat någon att bygga en maskin som ger obegränsat med gratis energi, vilket påstods kunna lösa alla mänsklighetens problem. Dessutom syntes ett antal mer eller mindre kända människor skymta förbi, några ganska respektabla och några av den typen som hävdar att världen egentligen styrs av utomjordiska ödlor.

Eftersom termodynamikens första huvudsats (energi kan inte skapas eller förintas utan bara omvandlas) och termodynamikens andra huvudsats (entropin, eller "oordningen" som den lite slarvigt brukar kallas, ökar vid alla energiomvandlingar) gör att evighetsmaskiner av det slag som presenteras i Thrive med största sannolikhet är omöjliga så var mina förhoppingar om kreativa lösningar på klimatkrisen grusade. Frågan jag ställde mig var istället om jag borde skriva en insändare till tidningen och försöka förklara varför Thrive inte innehåller några bra lösningar.

Medan jag funderade på detta googlade jag vidare och hittade bland annat en omfattande "debunking"-sida. (Jag hittade också sidor där det hävdades att reklamen för "Thrive" innehöll Illuminati-symboler och att det hela därför var ett djävulens påfund eller motsvarande. Det kanske förklarar varför filmen inte är så populär - fel estetik med tanke på målgruppen, liksom.) Jag insåg att om jag skulle prestera en replik med en chans att övertyga de som Thrive riktar sig till så skulle det ta mer tid än jag har och kräva mer plats än vad tidningen skulle kunna tänka sig att ge mig. Det verkar finnas en oerhörd misstro i de kretsarna mot alla som har med "konventionell" vetenskap att göra, vilket naturligtvis gör det svårare att få gehör för sina åsikter om man är forskare. Samtidigt kan jag inte låta bli att undra om det inte egentligen är min plikt att gå i svaromål? Den som tror att vi löser klimatkrisen med evighetsmaskiner kommer ju inte precis att vilja acceptera mer komplicerade och obekväma, men realistiska, lösningar.

Jag är lyckligtvis inte ensam om att brottas med en eller annan variant av det här problemet. Faktum är att jag var på ett mycket intressant seminarium som arrangerades av Chalmers under Vetenskapsfestivalen i Göteborg. Där diskuterades hur man ska förhålla sig till pseudovetenskap i ljuset av att olika organisationer och individer som ägnar sig åt pseudovetenskap försökt hyra in sig på Chalmers och därmed få vetenskaplig legitimitet. Här handlar det inte bara om att det tar tid att ta debatten, utan också om varumärket Chalmers: Om det associeras med pseudovetenskap kan det göra att folk misstar pseudovetenskapen för vetenskap, men det kan också på sikt försvaga varumärket. Diskussionen var förståss bredare än så och innefattade allt från argumentation i klimatdebatten till professuren i parapsykologi som inrättats i Lund. Slutsatsen var nog trots allt att det är bättre att ta debatten än att sluta sig mot omvärden, men att det vore ännu bättre om man kunde få en konstruktiv dialog och bli bättre på att kommunicera vad vetenskap är. Det höjdes också ett varningens finger mot att vara alltför snabb med att klassificera något okänt som pseudovetenskap - det är nämligen inte allt som är lika uppenbart felaktigt som historier om utomjordiska evighetsmaskiner. Ibland visar det sig ju att det som går på tvärs emot vedertagna föreställningar är sant (exempel: kvasikristaller). Det händer bara inte så ofta som vissa gärna vill tro.

En annan aspekt av detta är för övrigt frågan om var och hur man ska ta debatten. Det finns få debattforum som ger plats åt både de som försöker konstruera evighesmaskiner och de som vet varför det inte går. Det kräver en medveten ansträngning för att man över huvud taget ska kunna börja en diskussion (att jag såg artikeln som nämnde Thrive beror på att jag är intresserad av miljö - och hållbarhetsfrågor, vilket är ett område där man både kan råka på den mest seriösa vetenskap och hejdlösa konspirationsteorier).

Kanske borde jag ha skrivit något om Thrive. Kanske kommer jag att ta debatten nästa gång, för det är helt säkert inte sista gången jag stöter på något liknande. Under tiden tröstar jag mig med att jag inte är ensam om att vara osäker på hur pseudovetenskap ska hanteras, och med att göra ett tillägg i listan över favoritbloggar till höger: Ben Goldacre's Bad Science som jag hittade medan jag skrev på det här inlägget och som tar sig an dålig vetenskap i många former, framför allt relaterade till kost och medicin.

Axplock ur doktorandvardagen

Den senaste dryga månaden har jag försökt sätta mig in i ett forskningsfält som jag inte har arbetat med tidigare, vilket innebär att jag har ägnat mycket tid åt att leta upp och läsa artiklar som andra har skrivit. Detta letande är på många sätt en intressant fas eftersom det ofta dyker upp helt andra saker än det man egentligen var ute efter. Exempelvis har jag fått syn på vetenskapliga artiklar som handlar om vibrationer i trollsländors vingar, rörelser i jordskorpan, tillväxtmekanismer i dinosaurieägg och dammoln runt stjärnor i stjärnbilden Vega. Det jag egentligen letade efter var ljudvågor i grafen och andra tunna material (och jo, jag hittade en del artiklar om det också).

Bara för att saker och ting vid första anblicken verkar vara helt väsensskilda betyder det dock inte att en fysiker inte kan hitta ett samband. I fredags var jag till exempel på ett seminarium om nätverk. Vilken sorts nätverk? Tja, exemplen som togs upp var nätverk av proteiner i celler, sociala nätverk, Internet och sjukdomsspridning. Professor Albert-László Barabási, som forskar på hur de här nätverken fungerar, berättade att de har en ganska likartad struktur: Istället för att alla noder (d.v.s. datorer om det gäller internet, människor i ett socialt nätverk, etc.) knyter slumpmässiga kontakter med andra noder så har de flesta noder kontakt med ganska få andra, medan ett fåtal stora noder har kontakt med oerhört många andra noder. Mönstret beror på att nätverken växer, och för en ny nod är det högre sannolikhet att få kontakt med en stor nod, som redan har många kontakter, än med en liten. Det intressanta är att man faktiskt kan använda den här kunskapen för att exempelvis förutsäga spridningen av sjukdomar som influensa.

Kanske borde jag låta mig inspireras av det här mer tvärvetenskapliga perspektivet, men eftersom sambandet mellan trollsländevingar och dinosaurieägg nog snarare ligger i min sökteknik så låter jag det vara. Speciellt när jag nu lyckats installera rätt program på min dator och kan börja med simuleringarna...

Nu sätter vi segel!

Bildligt talat i alla fall. Ett stort forskningsprojekt som leds av en grupp på Chalmers har blivit ett av EU:s flaggskepp! Projektet handlar om materialet grafen, som jag är mycket intresserad av av flera skäl.

Mer info om flaggskeppsprojektet finns här.

Licentiatuppsats!

Vilken vecka. Licentiatuppsatsen som jag slitit med under hösten blev klar på tryckeriet i onsdags, så nu finns den som fysiska häften också och inte bara som en pdf på min dator. Jag ska presentera den på ett seminarium den förste februari, så som regler och tradition bjuder har jag den här veckan sprungit runt och delat ut den till folk som förhoppningsvis är intresserade, samt satt upp lappar överallt i förhoppningen att någon ska komma och lyssna på seminariet.

Dessutom har jag glädjen att meddela att alla som vill kan få läsa åtminstone inledningen (den så kallade kappan) till uppsatsen. Min uppsats är en så kallad sammanläggningsavhandling, som består av ett antal vetenskapliga artiklar och en inledning som bland annat behandlar bakgrunden och syftet med projektet. Artiklarna ägs av olika tidskrifter och är därför inte tillgängliga för allmänheten, men inledningen kan ni hitta här. 

Vad i h-te?

Häromdagen när jag satt och läste en artikel om defekter i barium-zirkonium-oxid fick jag plötsligt en liten glad överraskning. De hänvisade till vår artikel! Även om man kanske ska förvänta sig att bli refererad till av andra i samma fält så kändes det lite roligt.

Att artikeln blivit citerad innebär, förutom att jag blev lite gladare en regnig onsdagsmorgon, att jag nu har ett h-index (eller borde ha, men Google Scholar hävdar att det fortfarande är odefinierat). H-index är ett av många sätt att sätta en siffra på hur framgångsrik en forskare är baserat på hur många artiklar hen har publicerat och hur ofta de citeras. Om en forskares h-index är fem betyder det att hen har publicerat fem artiklar som refererats till i minst fem andra artiklar. Att min publicerade artikel har en citering betyder alltså att jag har det blygsamma h-indexet ett (1). Som jämförelse verkar min handledare ha ett h-index runt 28, och Walter Kohn som är en av dem som lade grunden för beräkningsmetonden vi använder (densitetsfunktionalteori) har enligt Google Scholar ett h-index på 37.

Vad är då vitsen med att räkna ut h-index? Meningen är ju att denna siffra ska vara en tydlig indikation på hur duktig man är som forskare: Hur mycket har man publicerat och hur många tycker att artiklarna är intressanta och bra? Det kan vara frestande att använda h-index som en sorts betyg för att jämföra forskare (exempelvis om man har den svåra uppgiften att fördela forskningsanslag). Som jag ser det finns det ett antal problem med detta. Ett ganska uppenbart är om man skulle använda det till att jämföra forskare från olika områden. Har man specialiserat sig på ett smalt område där få är verksamma kan det vara svårt att få många citeringar även om forskningen håller hög kvalitet, medan någon som fokuserar på populära ämnen inte har samma problem. Olika typer av forskning lämpar sig också olika väl för den så kallade salamimetoden: Att dela upp sina resultat i så "tunna skivor" som möjligt för att kunna skriva flera artiklar på likartat material. Detta sista är det ju för övrigt inte alla forskare som vill göra heller...

En annan sak jag kan se som problematisk med h-index och liknande är om man använder det för att bedöma väldigt unga forskare, exempelvis sådana som just disputerat eller är så kallade post-docs. Hur många artiklar man skriver beror nämligen mycket på vilken typ av forskningsproblem man arbetar med. Någon som arbetar med att utveckla beräkningsmetoder på hög teoretisk nivå kan behöva flera år för sin första artikel, medan en forskare som tillämpar kända metoder på nya problem kanske kan publicera flera artiklar på kort tid (om metoden fungerar på det nya problemet, vill säga). Det innebär inte nödvändigtvis att den ene eller andre är en sämre forskare, bara att olika forskningsprojekt uppvisar olika typer av svårigheter. Effekterna av detta på h-index borde dock minska när man varit aktiv som forskare ett tag och hunnit med flera olika projekt, kanske inom olika områden.

Personligen tycker jag att man ska ta kvantitativa mått på forskningskvalitet med en nypa salt - men jag är ändå lite glad att jag faktiskt har ett h-index.

Lägg på ett kol med solcellerna

En forskargrupp i Stanford har konstruerat en ny typ av solcell. Olyckligtvis har den en verkningsgrad på mindre än en procent, vilket är mycket sämre vanliga solceller som kan ha verkningsgrader runt 15 %. Ändå är Stanfordgruppens solcell en nyhet. Varför? Jo, den består enbart av kol.

I en solcell som används idag har man ett mittenskikt som består av kisel eller någon annan halvledare. När halvledaren träffas av ljus kan elektroner exciteras från valensbandet till ledningsbandet, vilket i korthet betyder att de kan börja röra på sig. Detta ger upphov till en elektrisk ström. Ovanför och under mittenskiktet finns elektroder som leder strömmen vidare från solcellen. Den övre elektroden är lite speciell, eftersom den måste vara både ledande och genomskinlig. Ofta använder man indium-tenn-oxid (ITO), som är genomskinligt och ledande men också skört och dyrt (eftersom indium är ett sällsynt grundämne). ITO används även i pekskärmar.

I Stanford-gruppens cell används så kallade kolnanorör i mellanskiktet och mitt nya favoritmaterial grafen i elektroderna. Kol är ett oerhört vanligt grundämne vilket innebär att solcellerna skulle kunna bli billigare. De kan också göras böjligare, vilket kan vara en fördel om man exempel vill täcka en byggnad med dem. En tredje fördel är att tillverkningsprocessen är enklare och billigare än för vanliga solceller. Den låga verkningsgraden är dock en stor nackdel.

Sällsynta och dyra metaller är vanliga inom energitekniken. Förutom indium i solceller finns det neodymium och dyspropium i magneter i vindkraftverk och kraftfulla batterier innehåller litium. Barium-zirkonium-oxid, som jag arbetar med, måste dopas med den sällsynta jordartsmetallen yttrium för att fungera som önskat. Det måste inte heller handla om att metallen är sällsynt, finns den bara inom ett begränsat område (säg ett eller två länder) kan det ändå vara problematiskt. De frågorna diskuteras bland annat här (o.k., texten är från 2011 men situationen har faktiskt inte förändrats jättemycket).

Jag tror att vi i framtiden kommer att se fler försök att ersätta de sällsynta grundämnena genom att konstruera nya material av mer vanligt förekommande ämnen. I de fall där man absolut inte kan ersätta sällsynta metaller hoppas jag få se mer välfungerande återvinning - det är ju inte som att atomerna försvinner för att de använts en gång.