Upptäckten av kvasikristaller belönades 2011 med Nobelpriset. Området betraktas som lovande och ett nytt svenskt forskningsprojekt har en världsledande roll. Målet är att hitta nya material med hittills okända magnetiska och elektroniska egenskaper. Inspiration till forskningen kommer bland annat från ett meteoritnedslag i Ryssland.
Projektanslag 2018
Functional Quasicrystals? – Harnessing the complexity of aperiodic intermetallic compounds
Huvudsökande:
Professor Ulrich Häussermann
Medsökande:
Stockholms universitet
Andreas Rydh
Europeiska spallationskällan ESS
Pascale Deen
KTH
Patrik Henelius
Uppsala universitet
Peter Lazor
Roland Mathieu
Cesar Pay Gómez
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
28,1 miljoner kronor under fem år
Under de senaste årtiondena har forskare fått ändra sin syn på fasta material i grunden. Anledningen är upptäckten av kvasikristaller som gjordes i laboratoriet av den israeliske forskaren Dan Shechtman 1982. Fyndet möttes med stor skepsis eftersom det stred mot den etablerade vetenskapen. Atommönstret i kristallen upprepades inte i symmetriska mönster periodiskt, som alla var vana vid när det gällde kristaller. Tvärtom visade experimentet att mönstret inte kunde upprepas.
Ulrich Häussermann är professor vid Stockholms universitet och en av forskarna i det svenska kvasikristallprojektet ”Functional Quasicrystals”.
– Från början var det svårt att förstå hur material kan organisera sig i så komplexa strukturer.
Arabiska mosaiker hjälpte forskarna
Det tog tid att förstå hur kvasikristallerna var uppbyggda, men historisk kunskap om matematik och byggnadskonst gav vissa ledtrådar. Inom medeltida arabisk arkitektur förekommer aperiodiska mosaiker – mönster som är regelbundna och följer matematiska regler, men som likt kvasikristaller aldrig upprepar sig. Alhambra i Andalusien är ett exempel. Det är en påminnelse om hur man ibland återupptäcker hjulet inom vetenskapen, säger Cesar Pay Gómez, docent och forskare på Ångströmlaboratoriet i Uppsala.
– Matematiska modeller och arabiska mosaiker fanns redan långt innan kvasikristaller hade upptäckts som material.
År 2011 kom den yttersta bekräftelsen på kvasikristallernas betydelse då Shechtman tilldelades Nobelpriset i kemi. Porten står nu öppen till ett forskningsfält där förhoppningen är att hitta specifika egenskaper som kan kopplas till just kvasikristaller.
– Vi kan beundra skönheten i de komplexa strukturerna, men samtidigt undrar vi om de också innehåller speciella egenskaper, säger Ulrich Häussermann.
Ur den öppna frågan föddes projektidén som nu förverkligas med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Projektet har fört samman forskare från tre olika lärosäten samt ESS i Lund och gruppen är redan världens största i sitt slag. Särskilt hoppas forskarna kunna hitta magnetiska och elektroniska egenskaper i kvasikristaller. Kanske finns hittills okända fenomen förborgade i kvasikristallernas inre, men det kan också handla om välkända egenskaper som beter sig på ett nytt och annorlunda sätt.
Kvasikristaller tillverkas i laboratoriet
Sedan början av 1980-talet har hundratals olika kvasikristaller tillverkats på laboratorier runt om i världen, framtagna på konstgjord väg. Främst handlar det om legeringar, blandningar av rena metaller, och oftast av minst tre ämnen. Ett genombrott kom vid millennieskiftet då en binär kvasikristall togs fram som endast innehöll två ämnen, ytterbium och kadmium. Den utgör idag prototyp för den största familjen av så kallade ikosaedriska kvasikristaller.
Utifrån denna prototyp kan forskarna länka samman olika element och skapa en mängd variationer. Inom projektet ska man framställa nya kvasikristaller genom innovativa syntesmetoder och genom att kombinera noggrant utvalda metaller. Professor Patrik Henelius vid KTH är expert på sällsynta jordartsmetaller, som är kända för sina magnetiska egenskaper.
– Ingen har någonsin sett en magnetisk fjärrordning i en kvasikristall och lyckas vi uppnå det vore det som att finna den heliga graalen inom den här forskningen. Det är en stark drivkraft för oss, säger Patrik Henelius.
Meteoritnedslag inspirerar till experiment
Projektet tar också naturen som förebild. År 2009 upptäcktes de första kvasikristallerna i naturen i mineralprover från östra Ryssland. Senare har det visat sig att stenen kommit till jorden från yttre rymden vid ett meteoritnedslag för cirka 15 000 år sedan. Det ger nu inspiration till avancerade experiment där kvasikristaller ska utsättas för höga tryck motsvarande tiotusentals atmosfärer och mycket låga temperaturer, berättar Cesar Pay Gómez.
– Det naturen gjorde för tusentals år sedan försöker vi återskapa i laboratoriet genom en mängd olika system. Att applicera tryck under syntesen är tidigare outforskat när det gäller kvasikristaller.
Denna del av projektet bidrar också till utvecklingen av ny infrastruktur och metodik. Andreas Rydh vid Stockholms universitet ska mäta värmekapacitet på små prover vid ytterst låga temperaturer med en teknik som ger mycket hög upplösning. Mätningar under höga tryck är en utmaning och kan bli av intresse för fysiker över hela världen.
– Det handlar om att pressa tekniken till att åstadkomma saker som inte gjorts förut och som ger en ny typ av experimentella mätningsmöjligheter.
Kvasikristaller är ett område som väntar på nästa stora upptäckt och chansen finns att den kommer inom det svenska projektet. Ett stort genombrott vore att hitta ett nytt magnetiskt material.
– Magnetiska material används till en mängd saker, som lagring av data och energisystem. I framtiden kan forskningen leda fram till helt nya applikationer som vi inte ens kan föreställa oss idag, säger Cesar Pay Gómez.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
