Nye alkymister fremtryller superstoffer

Og nu står en ny generation af alkymister klar: fysikerne.

Metoder fra fysikkens værktøjskasse bliver i dag brugt til at forvandle tilsyneladende kedelige stoffer som fx svovlkis eller det blylignende metal molybdæn – og give dem teknologiske superkræfter.

Dermed er de moderne alkymister samtidig ved at forkaste en grundpræmis i den moderne kemi: at hvert stof har faste egenskaber, som kan slås op i en bog. Snart er der ikke grænser for, hvad fysikerne kan skabe – lige fra superledende strømkabler af kulstofmaterialer til kropsvarmedrevne telefonopladere og kvantecomputere.

Fysikere snyder stofferne

Middelalderens alkymister baserede deres eksperimenter på Aristoteles’ lære: at alting består af jord, luft, ild og vand. Alkymisterne forsøgte at forvandle stoffer ved at ændre på det, de troede var forholdet mellem de fire elementer.

I 1772 rystede den franske videnskabsmand Antoine Lavoisier alkymiens verden.

Han påviste, at vand består af brint og ilt. Teorien om de fire grundelementer måtte droppes til fordel for en ny teori om grundstofferne.

Siden dengang har kemikere systematiseret stofferne i det periodiske system, og indtil for nylig var det deres domæne at eksperimentere med stofferne.

Men nu er fysikere ved at ændre spillereglerne. Det forklarer Denys Bondar, som er fysiker på Tulane University i USA.

“I århundreder forsøgte alkymister forgæves at forvandle bly til guld. Men hvad nu, hvis vi i stedet for at omdanne et materiale til et andet kunne “narre” blyet til at opføre sig som guld?” spørger han retorisk.

Fysikerne “narrer” materialerne ved at manipulere med elektroner og få dem til at flytte sig i takt, hvilket især sker via tre metoder: strøm, lys og en særlig måde at manipulere stoffers fysiske form på kaldet twistronics.

Chris Leighton fra University of Minnesota er blandt de nye udøvere af alkymi. Hans forskerhold har specialiseret sig i, hvordan strøm kan få stoffer til at forandre egenskaber.

Forskerne skabte overskrifter i slutningen af sidste år, da de eksperimenterede med mineralet pyrit – også kendt som svovlkis eller narreguld, fordi det ligner guld til forveksling, men er værdiløst i sammenligning.

Normalt er narreguld, ligesom fx træ, ikke magnetisk. De amerikanske fysikere satte elektroder på narreguld, sænkede det ned i et metallisk kar med en væske, der indeholdt positivt og negativt ladede partikler kaldet ioner, og tændte for strømmen.

Negativt ladede elektroner fra det elektriske kredsløb strømmede ind i pyritten og samlede sig tæt ved dens overflade, mens positivt ladede ioner i væsken som modsvar samlede sig lige ovenover.

De to ordnede lag, negativt ladet og positivt ladet, gav spontant narreguldet magnetiske egenskaber.

Aldrig tidligere har fysikerne på denne måde “tændt” for magnetismen i et ikke-magnetisk materiale. Chris Leighton og kollegerne har derfor travlt med at bygge videre på forsøgets resultater.

Han fortæller til Illustreret Videnskab, at holdet især ser på narreguld som et materiale, der potentielt kan bruges til ekstremt tynde solceller, fordi det kan optage 1000 gange mere sollys end silicium, som solceller i dag typisk bliver fremstillet af.

Den begrænsende faktor har indtil nu været, at narreguld ikke er effektivt nok til at omdanne alt det optagne sollys til strøm.

Det kan gennembruddet i Minnesota ændre på. Da forskerne nu ved, at de elektriske ladninger ved narreguldets overflade, der gjorde mineralet magnetisk, kan manipuleres ved hjælp af strøm, er vejen banet for at fintune narreguldets elektriske ledeevne, så det kan overtage siliciums rolle i solcellerne.

Laserlys forvandler materialer

Den moderne alkymi er et forskningsfelt i eksplosiv vækst. Og en af de allermest lovende nye grene beskæftiger sig med lys og dets tilsyneladende magiske evne til at forvandle stoffer.

Fysikere har længe været klar over, at lys kan påvirke atomer og molekyler ved fx at bryde kemiske bindinger.

Nu har forskerne opdaget, at pulser af laserlys med den rette varighed og bølgeform kan forandre grundlæggende egenskaber – fx hvordan et materiale leder strøm. Og nøglen er elektroner.

Et atom består af en atomkerne omgivet af et antal elektroner, og i faste stoffer er det elektronerne, der dikterer mange af stoffets egenskaber. I et metal arrangerer atomerne sig eksempelvis i et krystalgitter, hvor hvert atom afgiver en eller to af dets yderste elektroner til krystallen som helhed.

Disse elektroner kan bevæge sig frit rundt i gitteret, hvilket fx gør metaller gode til at lede elektricitet og giver dem deres glans og uigennemsigtighed.

Hvis man kan kontrollere elektronerne, kan man kontrollere stoffets egenskaber.

Og det er her, at de ultrakorte laserpulser kommer i spil. De kan nemlig få elektronerne til at bevæge sig på en koordineret måde, så de “danser i takt”.

Laserlysets evne til at koordinere elektronernes bevægelser bliver især brugt i jagten på de såkaldte superledende materialer.

Et superledende materiale kan lede strøm helt uden modstand, så intet af strømmen undervejs går tabt og bliver omdannet til varme. Modstand i fx kabler og ledninger koster i dag samfundet enorme mængder tabt energi, når strøm fra fx en vindmøllepark på havet skal transporteres i land og fordeles ud til huse, lejligheder, fabrikker osv.

I februar kom et banebrydende resultat fra et europæisk forskerhold ledet af den italienske fysikprofessor Andrea Cavalleri. Resultatet fik fysikere i hele verden til at spidse ører, fordi det åbner døren for en fremtid med superledende strømkabler. Derudover markerer forskernes metode begyndelsen på en ny æra.

Alle materialer skal i dag køles ned for at blive superledende, fx har et kalium-kulstofmateriale tidligere vist sig at kunne superlede ved minus 253 grader.

Men idet laserpulser ramte materialet, blev dets elektroner ved en langt højere temperatur – minus 173 grader – sat i koordinerede svingninger, som betød, at strøm kunne løbe igennem helt uden at tabe energi på vejen.

Dermed er håbet blandt forskerne, at laserpulser bliver den forvandlende kraft, der kan bringe os tættere på deres drømmemateriale – et stof, som er superledende ved stuetemperatur.

Men det stopper ikke der. Fysikerne har allerede sat sig endnu større – eller rettere sagt mindre – mål: De vil manipulere med selve stoffernes form helt ned på det atomare niveau.

Lys kan styres med et tvist

Måske er det hverken nødvendigt at bruge elektricitet eller laserlys til at fremtrylle nye egenskaber i kendte materialer – måske kan de simpelthen formes på helt nye måder.

I dag kan fysikere manipulere med selve atomerne og molekylernes fysiske form.

Metoden kan spores tilbage til 2004, hvor fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov udførte et nobelprisvindende forsøg, hvor de isolerede en atomtynd flage af kulstofatomer – det første todimensionelle materiale.

Opdagelsen af stoffet, som fik navnet grafen, fødte et helt nyt forskningsfelt specialiseret i 2D-materialer.

Og nu har 2D-forskerne opdaget, at når de bruger de atomtynde flager som byggeklodser, opstår der helt nye egenskaber i stofferne.

VIDEO: Fysikere bygger nye materialer med atomtynde “byggeklodser”

Fysikerne drejer 2D-materialerne og lægger dem i lag, som er drejet – “tvistet” – i forhold til hinanden, og derfor har metoden fået navnet twistronics. Forskellige vinkler giver forskellige egenskaber, og dét udnyttede et internationalt forskerhold i 2020.

Et lysglimt vil typisk brede sig ud i alle retninger, præcis som bølger i vandet breder sig ud i stadig større cirkler, hvis man kaster en sten i en sø.

Men nu kan lyset styres. Da forskerne lagde to atomtynde lag af krystalstoffet molybdæntrioxid drejet oven på hinanden, dannede elektronerne i stoffet nemlig tynde kanaler, som lysbølgerne fulgte.

Forskerne håber, at deres grundforskning kan føre til ny lysbaseret teknologi – eksempelvis såkaldte optiske computere, der bruger lys til at lagre data og udføre beregninger i stedet for elektricitet som i dag, hvor tændte og slukkede transistorer udgør de 1’ere og 0’er, som computernes digitale “sprog” består af.

Lys kan tænde og slukke hurtigere end strøm og endda uden at afgive energi i form af varme. I dag afgiver strømmen i computere store mængder varmeenergi, som igen kræver nedkøling af computere. Det gigantiske energiforbrug betyder blandt andet, at verdens datacentre forbruger op mod 500 terawatt-timer, 2 procent af verdens samlede strømforbrug.

Lyscomputere kan altså blive både hurtigere og mindre strømslugende end de traditionelle computere, vi kender i dag.

Og fysikerne stopper ikke ved de atomtynde flager, som kan give os optiske computere. Næste mål er at skære flagerne af stoffer helt ned til kæder, også kaldet nanotråde. I trådene mener forskerne, at elektroner kan styres endnu bedre, end de kan i flager.

De nye alkymister bevæger sig på kanten af, hvad forskningen forstår: De har endnu ikke den fulde teoretiske forståelse for, præcis hvad der sker, når stoffer bliver påvirket med strøm eller laserlys eller udformet med twistronics.

Fysikerne ved, at elektronernes dans i princippet kan beskrives ved hjælp af kvantefysik, men det er lettere sagt end gjort.

Videnskaben har altid været et samspil mellem teori og eksperimenter. De nye alkymister bevæger sig i den eksperimenterende verden, mens teorien forsøger at følge med. Hvert eksperiment fører fysikerne en smule tættere på en forståelse af, hvordan det kvantefysiske niveau fungerer.

Dermed er fysikerne ved at åbne døren til en ny æra af kvantealkymi, hvor hvert eneste stof i princippet kan manipuleres til at opføre sig, præcis som der er brug for – helt til grænserne af, hvad kvantemekanikken tillader.