I nanoskala, då dimensionerna är miljarddelar av en meter, uppstår fenomen som annars inte existerar. Bland annat kan material spontant bygga upp sig själva. Den processen studerar Kimberly Dick Thelander och hennes kollegor – medan den pågår. Det är möjligt tack vare ett elektronmikroskop som hon har arbetat med och utvecklat sedan 2016.

– Allt vi ville göra när det var nytt är möjligt nu. Vi använder mikroskopet varje dag och det ingår i kanske 70 procent av vår forskning, säger Kimberly Dick Thelander.

Studierna av redan existerande material är första steget på vägen mot att designa helt nya strukturer med nya egenskaper.

Grundmaterialet är oftast gaser som spontant formar kristaller, inuti en stor maskin. I maskinen ingår elektronmikroskopet där forskarna kan ta bilder och filma i atomskala. Genom att tillsätta olika gaser i noga kontrollerade mängder kan de se vad som bildas.

– Vi försöker förstå materialen och deras kristallstrukturer på atomnivå. När vi ser vilka processer som bestämmer strukturerna och kan kontrollera de processerna, kan vi också kontrollera egenskaperna.

Siktar på nya egenskaper och ökad hållbarhet

Mest arbetar Kimberly Dick Thelander med halvledande ämnen, särskilt oorganiska halvledare. Först låg hennes fokus på konventionella halvledarämnen som galliumarsenid, som redan används i bland annat elektronik och solceller. Målet var att se om det var möjligt att påverka deras egenskaper genom att styra nanostrukturen. Idag har hon gått vidare till att försöka ersätta en del av grundämnena med andra, som inte är lika ovanliga eller svåra att utvinna. Några av de ämnen hon arbetar med är järn, nickel, krom och mangan.

– Vi försöker göra material som är mer hållbara, både ekonomiskt och miljömässigt. Men fortfarande är det samma princip bakom; att designa strukturer på nanonivå.

En del av projekten handlar om att optimera befintliga egenskaper. Det kan handla om förbättrad syntes, alltså att ämnen reagerar och bildar nya ämnen, eller katalys, när närvaron av ett ämne får en reaktion att ske som annars skulle ha inträffat extremt långsamt eller inte alls.

Hållbarhet har blivit mycket mer centralt i materialforskningen de senaste åren. I vissa projekt är det avgörande, i andra mer sekundärt – men jag tror att alla tänker på det.

Men helt nya egenskaper, vad kan det innebära? Kimberly Dick Thelander behöver fundera lite för att komma på något som inte är för svårt att förklara.

– Forskare förutsåg för några år sedan en ny typ av magnetism som beter sig annorlunda än den vi känner till. Än så länge är det enbart grundvetenskap, men på sikt kan den ha praktiska fördelar jämfört med dagens magnetism. Just nu finns det inga material med den här egenskapen, och ett av våra projekt går ut på att försöka skapa ett sådant. Om effekten alls existerar!

Hur den magnetismen skulle skilja sig från dagens säger hon att hon knappt förstår själv. Hon är ju kemist, inte fysiker.

– Till och med fysikerna har svårt att förklara för oss hur den nya magnetismen skulle fungera. Men de kan förklara vilka ämnen och vilka kristallstrukturer de behöver, så är det upp till min grupp att försöka skapa dem.

Utvecklar tidigare övergivna projekt

Kimberly Dick Thelanders grupp arbetar också med material som föreslagits eller till och med skapats av andra forskare, men som aldrig utvecklades till en punkt där de kunnat användas.

– Vi är del av ett stort EU-projekt för mer hållbara solceller. Det material vi arbetar med är inte nytt, men när det uppfanns kunde man inte syntetisera det med tillräckligt hög kvalitet, så det övergavs. Nu tror vi att vi kan designa det så att det blir bra nog. Om det kan bli lönsamt är en annan fråga, men vi försöker att göra det tillräckligt stabilt och högkvalitativt för vidare tester.

Kimberly Dick Thelander kommer från Kanada och började sina studier i kemisk fysik vid universitetet i Waterloo i Ontario. Det var under en praktikperiod som hon förstod att det fanns forskare som designade nya material. Hon kände sig omedelbart säker på att det här, det var hennes fält. Nu har hon arbetat med materialvetenskap i mer än tjugo år.

Länge brukade hon säga att hon aldrig tänkte bli chef. Hon ville ju vara forskare. Men det kommer en punkt i arbetslivet där det inte riktigt går att undvika, konstaterar hon nu. Forskningsarbetet behöver ledas av någon med erfarenhet och expertis, och sköter man all den administration som kommer med chefskapet så hinner man inte forska lika mycket. Men egentligen vill hon fortfarande vara involverad i precis all forskning som gruppen gör, även om det inte riktigt är praktiskt möjligt.

– Jag brinner verkligen för att lära mig saker. Jag gillar att läsa böcker om ämnen från fält som gränsar till mitt eget, bara för att det är så roligt att begripa något nytt. Och i forskningen tar lärandet aldrig slut – det är så mycket i universum som vi inte vet än.

Text: Lisa Kirsebom
Bild: Kennet Ruona