Han bygger framtidens material i datormodeller

Elektronik alstrar värme – ett problem som växer när elektroniken krymper. Men vissa material kan omvandla värme till elektricitet. Wallenberg Academy Fellow Paul Erhart vid Chalmers använder datormodeller för att studera hur värmen kan minskas, eller förvandlas till en tillgång.

Dr Paul Erhart

Chalmers avdelning för material- och ytteori

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Forskningsområde:
Materialteknik, datormodellering, ledningsförmåga för ström och värme

I större elektronik, som persondatorer, finns fläktar eller särskilda ytor som leder bort värme. Utan dem skulle systemen snabbt bli överhettade.

Men nu för tiden är många elektroniska kretsar och komponenter så små så att ingen kylteknik får plats. En lösning kan vara att konstruera själva materialet så att värmeflödet minskar. Det är en praktisk fråga, men vägen till svaret är full av teori.

Paul Erhart drar ett djupt andetag innan han ger sig på att försöka förklara.

– Värme är egentligen atomer som vibrerar. Men det går att se värmetransporten som en grupp partiklar som bär värme. De partiklarna kallar vi fononer, säger Paul Erhart.

Fononer är kvasipartiklar. En kvasipartikel motsvaras inte av en ”riktig” partikel, men av något som beter sig som en. I alla fall tillräckligt mycket för att man ska kunna bygga teorier och modeller runt den.

– Vid varje gränsyta i materialet kan fononerna störas. Om vi förstår i detalj hur värmetransporten går till kan vi utforma material som bryter den, eller som omvandlar den till en annan form av energitransport – nämligen elektricitet, säger Paul Erhart.

På så vis skulle framtidens elektronik kunna bli mycket mer energieffektiv än dagens.

Både kemi och fysik påverkar transporten

Hur värme och elektricitet rör sig i ett material påverkas av många olika saker. Ett exempel är den kemiska sammansättningen. Ett annat är den fysikaliska strukturen, ända ner till atomnivå. I de flesta material som Paul Erhart studerar formar atomerna kristaller, de sitter alltså samman i regelbundna mönster. Men inom kristallerna kan det bildas ytterligare strukturer där delar av materialet samlas i korn eller klumpar. Det har också effekt på transporten av värme och ström.

Paul Erhart ler lite när han påpekar att han är materialvetare från början, inte fysiker, och att det spelar roll för hur han griper sig an problemen. Bland teoretiska fysiker, säger han, är det inte så populärt med defekter i det material man arbetar med. Det stör ekvationerna. Men för materialvetaren är defekterna det mest intressanta. Det är ofta avvikelserna som ger de egenskaper man vill ha.

– Det är som när man dopar kisel, alltså för in ett annat ämne som stör. Utan den defekten skulle vi inte ha några transistorer. Man måste förstå hur defekterna i ett material fungerar, för det är genom dem som man kan styra och sprida de värmebärande fononerna.

Framtidens datormodeller ska kunna ge egna förslag

Att analysera och designa ett nytt material på atomnivå är väldigt krångligt och tidskrävande om det görs i laboratorium. Paul Erhart arbetar istället med datormodeller, som gör det möjligt att räkna ut hur ett material bör utformas för att få önskade egenskaper. Computational design, beräkningsbaserad konstruktion, kallas det. I dag kan man mata in uppgifter i datorn om ett tänkt material och få ut information om egenskaperna. Men Paul Erhart hoppas att det snart ska gå att göra tvärtom – mata in till exempel önskad ledningsförmåga för ström och värme, och så få ut ett förslag på hur materialet ska utformas.

– Det händer inte ännu, men det ligger precis vid horisonten.

”Jag hade inte förväntat mig att jag skulle utses till Wallenberg Academy Fellow. Det kommer att hjälpa mig enormt. Det är ett erkännande av min forskning och gör mig synlig i forskarvärlden. Dessutom kan det öka möjligheterna till annan finansiering i framtiden.”

Uppenbarelser det bästa med forskarlivet

Paul Erhart gör inga praktiska experiment. Var och en bör syssla med det den är bäst på, konstaterar han, och i hans fall är det datormodelleringar. Han har alltid arbetat med datorer. När han först började läsa materialvetenskap blev han inte riktigt nöjd, det kändes inte exakt nog, och han försökte närma sig fysiken istället. Men riktningen ändrades igen efter att han under ett år som utbytesstudent i Illinois arbetat som forskarassistent parallellt med studierna. Han chef skickade honom vidare till en forskarsommarskola i materialvetenskap vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien.

– Det var avgörande för mig. Då förstod jag vad jag ville göra, och redan innan jag var klar med min mastersexamen så hade jag planer för var jag skulle göra min postdoktorutbildning.

Chalmers hörde han om redan som student. Han säger att högskolan har en fantastisk historia vad gäller beräkningar på elektronikstrukturer. När han besöker konferenser känner alla till lärosätet.

På frågan om vad han tycker bäst om med sin forskning, svarar Paul Erhart ”att få uppenbarelser”. När det plötsligt står helt klart vad problemet är – eller vilken lösningen är. Dessutom tycker han om att hålla föreläsningar.

– Jag gillar att berätta bra historier. Men att skriva en riktigt bra vetenskaplig artikel, det är en kamp. Är det inte jobbigt, blir det inte bra. Man måste vara lite av en masochist!

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström