Metastabila material är faktiskt inte så ovanliga. Ett exempel är diamant som är den metastabila formen av kol. Vid normal temperatur och normalt atmosfärstryck är kolets stabila form grafit. Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik vid Linköpings universitet, förklarar att varje ämne kan ses som en boll som ligger i en backe. Om bollen får göra det naturliga så rullar den ner till slutet av backen – till den stabila formen, som kräver minst energi. 

Men om ämnet utsätts för särskilda omständigheter kan det liknas vid att bollen rullar ner i en grop i backen, och om gropen är djup nog kan bollen bli kvar. Så är det med diamant. Naturliga diamanter kan inte bildas vid normalt tryck, bara djupt ner under jordytan där trycket är mycket högre. Men när de väl blivit till behåller de sin metastabila form och förvandlas inte tillbaka till grafit även om trycket förändras. 

– Vissa metastabila material kan alltså existera och vara funktionella även om det finns andra tillstånd hos samma ämne eller förening som egentligen är mer energimässigt fördelaktiga, säger Igor Abrikosov.

Han vill lista ut varför det händer för att kunna kontrollera och därmed konstruera metastabila material. De skulle kunna vara starkare, lättare och ha till exempel elektroniska egenskaper, som överträffar dagens material. 

Mängder av nya material produceras

– Att räkna ut var metastabila tillstånd finns är fortfarande ett helt olöst problem för forskningen. Jag planerar att utveckla en teori för att förstå hur man kan hitta de tillstånden, och sätt att syntetisera materialen.

Men för att bygga en bra teori behöver man mycket fakta. För att samla in fakta om metastabilitet samarbetar Igor Abrikosov med experimentalister vid Bayreuths universitet i Tyskland, som utför försök under mycket högt tryck. De utsätter olika ämnen och föreningar för ett tryck motsvarande många miljoner atmosfärer och härmar därmed den process som förvandlar grafit till diamanter. En del av de metastabila material som då bildas faller genast sönder när trycket sänks, men andra består och kan analyseras. 

– Nu syntetiserar mina kollegor ett nytt material i veckan, vilket är helt otroligt. Jag brukar inte syssla med att spela, jag gillar inte det, men just nu känner jag mig som att jag står bredvid en enarmad bandit och får jackpot hela tiden, nya material bara rasslar ut!

Det händer att materialen har användbara egenskaper. Igor Abrikosov och hans kollegor fick nyligen en artikel publicerad i Nature Communications, en av världens tyngsta vetenskapliga tidskrifter, där de beskriver hur de lyckats ta fram en extremt hård metastabil variant av föreningen rehniumnitrid.

Men för Igor Abrikosov är inte det viktigaste för tillfället att få fram material med lovande egenskaper. Det han vill ha är stora mängder experimentella data som hjälper honom att formulera teorin, att räkna ut vad det är som gör det möjligt att bevara materialet även under normalt tryck.

– Man kan säga att jag vill veta hur man tippar tillbaka backen och ändå låter hålet som bollen ligger i, förbli ett hål. Tidigare kunde bara naturen göra det, nu har vi lyckats själva. Den upptäckten ska jag placera på fast teoretisk grund.

Simuleringar kan skynda på materialutvecklingen

När han väl formulerat teorin planerar Igor Abrikosov att använda den till simuleringar som ett steg på vägen till nya material. I dag är materialtillverkning ofta en fråga om trial-and-error, ämnen kombineras och behandlas på olika sätt innan deras egenskaper testas. Det är väldigt tidskrävande. Från upptäckt till färdigt material kan det handla om tjugo år. Genom simuleringar byggda på en bra teori vill Igor Abrikosov korta den tiden betydligt, till kanske fem eller sex år.

”Att utses till Wallenberg Scholar är en fantastisk känsla. Det innebär ett erkännande som jag är verkligt tacksam för, men också koncentrerade, långsiktiga resurser som gör det möjlighet för mig att realisera forskning som varit omöjlig annars.”

Intresset för fysik väcktes redan när han var liten. Det hände att hans mamma som var fysiklärare inte kunde ordna barnvakt, utan tog honom med till jobbet. Igor satt bland experimentutrustningen och hörde henne förklara saker för sina elever, och växte in i känslan att han skulle bli fysiker. Han utbildade sig i Moskva och kom på 90-talet till Sverige för en postdoktortjänst. 

Fasstabilitet har varit hans forskningsområde hela tiden. I dag säger han att det som engagerar honom mest är ”applikationsinspirerad” teoretisk forskning. Det betyder att han som teoretiker får idéer från experimentalister eller från industriella samarbetspartners. 

– Det är mycket mer intressant än att ta idén inifrån mitt eget huvud. Genom att placera deras problem i mitt teoretiska ramverk och hitta en lösning, en ny teori eller ett verktyg, gör jag frågan intressant för hela forskarsamhället. På så vis kan vi skapa helt nya möjligheter inom materialvetenskapen. Det är väldigt spännande.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström