När Kimberly Dick Thelander för nästan tio år sedan blev en av de allra första Wallenberg Academy Fellows hade hon bara hunnit börja planera designen av ett nytt elektronmikroskop. I det skulle hon och hennes kollegor vid Lunds universitet i realtid kunna studera material som spontant konstruerade sig själva. Det är något som kan ske i nanoskala, där dimensionerna bara är några miljarddelar av en meter.

I dag har mikroskopet varit igång i flera år och Kimberly Dick Thelander använder det till att ställa allt större forskningsfrågor.

– Det ultimata målet är att designa material och ge dem bestämda egenskaper genom att kontrollera exakt hur atomerna är placerade. Därför undersöker jag vilka processer som styr atomernas placering i olika typer av kristaller. I experimentell kemi och fysik är det oftast slutresultatet som är intressant, inte själva processen. Men i det här fallet kan vi faktiskt se live på en videoskärm hur kristallerna formas. Det är extremt spännande!

En av de saker hon studerar just nu är metastabila material, ett slags mellanform mellan stabila material och sådana som faller sönder spontant. Metastabilitet är ett ganska vanligt fenomen och noga beskrivet i teorin, men inte lika väl förstått i praktiken. Man vet helt enkelt inte så mycket om varför, när och hur metastabila material uppstår i verkligheten.

– I våra experiment förändrar vi olika parametrar, som tryck, temperatur och ämneskoncentration och studerar vad som händer. Om vi systematiskt finjusterar processerna kan vi se trender i det som sker och formulera en större teori som beskriver processerna. När vi förstår exakt varför något händer blir det möjligt att göra mer generella förutsägelser som andra forskare kan ha nytta av.

Förkastade material kan bli intressanta på nytt

När Kimberly Dick Thelander började sin forskning fokuserade hon främst på halvledarmaterial. Nu har hon vidgat fältet och gjort flera upptäckter som varit intressanta att gå vidare med. Ett exempel är betydelsen av gränsytorna mellan två olika material, eller mellan faser av ett material. De var mycket mer komplexa och hade större betydelse för kristallernas framväxt än forskarna hade gissat, något de upptäckte just genom att iaktta kristallbygget i mikroskopet.

Det Kimberly Dick Thelander gör är grundforskning, allt handlar om att förstå grundläggande kemiska processer. Men resultaten kan på sikt få betydelse för till exempel ny elektronik, energilagring och energiutvinning. När hon väljer vilka material hon ska studera utgår hon förstås från de som har intressanta egenskaper – men hon betonar att det handlar om sådant som är intressant för en grundforskare, till exempel om ytorna är kemiskt aktiva på ett spännande sätt, snarare än att de är viktiga för något praktiskt ändamål.

– Men på senare år har jag börjat tänka allt mer på förbisedda material. Det finns många kristallina material som studerats tidigare för att de hade potential för olika användningsområden, men som man övergav för att det inte gick att kontrollera kristallstrukturerna. Vi kanske kan lösa de utmaningarna och göra materialen intressanta igen.

”Det här systemet hade inte kunnat byggas utan Stiftelsen. Tidsskalan var för lång för att jag skulle kunna lova resultat så snabbt som andra anslag kräver. Nu kan vi sikta mot den bästa forskningen och de bästa storskaliga vetenskapliga utmaningarna.”

Nya krav och nya möjligheter

Förr fokuserade materialforskare på att arbeta med och optimera redan existerande material. I dag finns en snabbt växande förmåga att designa strukturer från grunden, samtidigt som gamla material har gett problem som ingen förutsåg för några decennier sedan. Vissa börjar ta slut i naturen, andra är en belastning för klimatet, eller fungerade bra i liten skala men har blivit så efterfrågade att massproduktionen blir ett problem.

– Jag ska väl inte säga att min grupp har ett fokus på hållbara material – det vi gör är som sagt grundforskning. Men jag kan ändå se att det går åt det hållet i vilka ämnen vi väljer att studera.

Kimberly Dick Thelander började som student i kemisk fysik vid universitetet i Waterloo i Kanada. Varje år gjorde studenterna fyra månaders praktik, och hon minns fortfarande den första gången hon hade praktikplats i ett universitetslabb, vid Notre Dame University. Hon och hennes kurskamrater lotsades runt bland en mängd olika projekt för att välja ett av dem.

– En av forskarna studerade nanopartiklar av silver och guld. Han förklarade att om de blev tillräckligt små så förändrades egenskaperna och ämnena blandade sig på ett annat sätt. Jag blev superfascinerad. Jag visste inte ens att det fanns ett sådant forskningsfält, att man kunde designa material! Jag såg mig omkring och tänkte att visst, de andra projekten var väl också intressanta, men det där – det är vad jag ska göra.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström