Materialvetare vill bygga ut forskningsfält med fler ämnen

Ett snabbt växande forskningsfält, som fortfarande bygger nästan helt på ett enda grundämne – det är inte rimligt, tycker Christoph Langhammer. Som Wallenberg Academy Fellow ska han utvidga nanoplasmoniken med nya ämnen och legeringar. Det kan ge bättre sensorer och katalysatorer.

Christoph Langhammer

Docent i kemisk fysik

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Forskningsområde:
Nanoteknik, nanoplasmonik, materialvetenskap

Inom nanoplasmonik utnyttjar forskare att ljus kan påverka nanopartiklar av metall. Ljuset sätter elektroner i metallen i svängning – det uppstår plasmonresonans. Resonansen växelverkar med ljuset, vilket kan användas bland annat i sensorer och katalysatorer. Men fastän området utvecklats snabbt på kort tid, är en sak nästan oförändrad; metallen.

– Över 90 procent av dagens applikationer bygger på nanopartiklar av rent guld. Det har väldigt bra egenskaper för plasmonik. Men att låta ett helt forskningsfält växa fram baserat enbart på det, när det finns så många olika ämnen – det är helt vansinnigt. Man måste ju gå miste om enormt mycket, säger Christoph Langhammer vid Chalmers avdelning för kemisk fysik.

Han och hans kollegor arbetar med nanopartiklar av andra metaller och har även utvecklat en ny metod för att använda legeringar, metallblandningar.

– Det är väldigt svårt att bygga nanopartiklar av legeringar med den precision vi har, och ingen hade gjort det förut. Så det blev en bra plattform för mer forskning och utveckling, säger Christoph Langhammer.

Nu vill han utveckla och testa nya material inom nanoplasmoniken.

Nanopartiklar i framtidens vätgassensorer

Tillverkningsmetoden för legeringar i nanoskala växte fram i ett försök att skapa vätgassensorer. Till det ville man ha nanopartiklar av en legering av guld och palladium. Palladium är bra på att absorbera vätgas, och väteatomerna som tränger in ger palladiumnanopartikeln en lite annorlunda elektronstruktur. Det förändrar plasmonresonansen. Skillnaden blir en signal om att väte finns närvarande. Men för att bygga sådana sensorer, krävdes alltså att man kunde tillverka nanopartiklar av en palladium-guldlegering. Nu, när forskarna från Göteborg har lyckats, är de på god väg att skapa världens snabbaste vätgassensorer.

Vätgassensorer används bland annat för att upptäcka läckor i kemisk industri och raffinaderier. Men Christoph Langhammer ser det största behovet i framtiden. Han menar att det bara är en tidsfråga innan vätgas börjar användas storskaligt som bränsle och för energilagring. Det är rent, eftersom vatten är den enda restprodukten, men det har också en nackdel: vätgas är extremt explosiv när den blandas med luft. Redan i dag krävs ett 30-tal sensorer i varje vätgasbil, och enligt Christoph Langhammer är de alldeles för dyra för att vätgasteknologin ska kunna ta fart i stor skala. De behöver vara små, billiga och snabba.

– Nu börjar industrin formulera krav på sensorerna som ingen kan uppfylla än. Men med vår nanopartikelbaserade teknologi är vi är väldigt nära.

Katalys är ett annat intressant område för nanoplasmoniken. En katalysator är något som får en kemisk reaktion att ske, eller ökar reaktionstakten. Ofta krävs att värme tillförs, men det finns en del som tyder på att elektronernas svängning i plasmonresonanser kan ge nya sätt att styra eller snabba på en kemisk reaktion. I så fall skulle vanligt ljus kunna användas för att genom plasmonresonans förstärka katalytiska reaktioner.

– Det är mer av ett högriskprojekt. Vi vet mycket mindre om det än om vätgassensorerna. Men vi ska ta konceptet med materialblandade nanopartiklar och se om vi kan åstadkomma bättre katalysatorer tillsammans med ljus. Beroende på vilken reaktion vi vill åstadkomma får vi titta i periodiska systemet, och blanda friskt!

”Som Wallenberg Academy Fellow har man relativt stor frihet. Jag kan göra mer spännande saker, ta större risk. Det är en enorm lyx. Dessutom är det unikt att det finns en möjlighet att få anslaget förlängt i ända upp till tio år. Som forskare kämpar man ständigt med frågan om hur man ska kunna underhålla det som man har byggt upp. Då är ett sådant här anslag väldigt betryggande.”

Sverige lockade inte – men forskningsmiljön

Christoph Langhammer är född och uppvuxen i Schweiz. I skolan var han intresserad av det mesta, men främst av språk. När han skulle välja högskola drogs han ändå mot naturvetenskap och teknik, och valde materialvetenskap. Han fick chansen att göra exjobb utomlands, vid Chalmers i Göteborg.

– Jag var inte alls sugen på att flytta till Sverige egentligen, det verkade kallt och regnigt. Men avdelningen vid Chalmers var en väldigt spännande forskningsmiljö.

Efter exjobbet fortsatte han med en doktorandutbildning på Chalmers och träffade sin fru där. Tillsammans med sina handledare startade de ett företag byggt på forskningen, där hon fortfarande arbetar som huvudansvarig för tekniken. Christoph Langhammer har kvar en mindre roll som forskningskonsult.

– Jag hade lika gärna kunnat bli kvar på heltid inom bolaget. Men jag växte in i rollen som forskningsledare i akademin och ville fortsätta.

Detta trots att arbetet som forskare i akademin många gånger har varit väldigt krävande, konstaterar Christoph Langhammer. Han räknar upp: Man behöver vara en bra lärare, handledare, chef, administratör och ”nyttiggörare” av forskningen, allt på en gång.

– Vid en tid i livet då man vill besluta sig för familj och barn, hade jag fortfarande en tidsbegränsad tjänst. Man måste skriva ansökningar om forskningsmedel men har ingen aning om hur man gör, för ingen berättar det för en… Men när man kommit igång, då blir det bara roligare och roligare!

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström

 

Mer om Christoph Langhammers forskning