Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


Legg igjen en kommentar

Hydrogenmetall

Vi trenger gode nyheter for tiden, og meldingen om at noen har greid å lage metall av hydrogen for aller første gang kan være en god kandidat.

Hva er hydrogenmetall?
Hydrogen er det minste atomet, og det grunnstoffet det finnes aller mest av i verden. Det består av ett proton og ett elektron. Vi finner det overalt i naturen, men stort sett ikke alene, fordi det er glad i å hekte seg sammen med andre stoffer. Rent hydrogen danner en gass der to og to hydrogener henger sammen i molekylform, og temperaturen må helt ned til 20 grader over det absolutte nullpunkt før denne gassen blir til en væske, for deretter å bli fast stoff ved 14 grader.
I dette faste hydrogenet, der temperaturen er nesten så lav som den kan bli, sitter atomene pent og rolig på rader og rekker, der hvert proton passer på sitt elektron. Imidlertid har det lenge vært kjent at dersom trykket blir veldig høyt, slik at hydrogenatomene blir dyttet mot hverandre med masse kraft, bør atomene gi slipp på elektronene sine. Protonene i kjernen vil ordne seg i et gitter, med alle elektronene svirrende løst rundt dem, akkurat som i et metall. Dette er det som kalles metallisk hydrogen, og forskere har brukt årtier på å prøve å fremstille det.

Hva skal vi med metallisk hydrogen?
739px-superconducting_levitation_and_candle_on_a_magnet

Med superledere kan man få ting til å sveve. Bilde: Wikimedia Commons

De teoretiske beregningene som har vært gjort tyder på at metallisk hydrogen vil være en superleder, det vil si et stoff som kan lede strøm helt uten tap. I dag sender vi elektrisiteten vår gjennom ledninger av kobber eller aluminium, og desto lengre avstand det er mellom stedet der strømmen lages og der den skal brukes, desto mer går tapt underveis. Om vi kunne lage metallisk hydrogen, og det oppførte seg stabilt ved normalt trykk og temperatur, kunne vi få mer ut av den strømmen vi lager fordi mindre av den ville gå tapt. Superledere kan også brukes til å få mer effektiv transport ved å få tog til å sveve. Vi har foreløpig ingen materialer som kan brukes som superledere ved romtemperatur.

Hvor høyt må trykket være?
Det ble først antatt at hydrogen ville gå over i metallform ved 25 GPa (det er omtrent 250 ganger høyere enn trykket i det dypeste havet i verden, Marianergropen). Senere har mer nøyaktige utregninger vist at en må opp i minst 100 GPa. Forsøk som ble gjort ved rundt 350 GPa, som tilsvarer trykket i Jordas sentrum, viste ingen tegn til metallisk hydrogen.
I eksperimentene som nettopp har blitt publisert, ble overgangen funnet ved omtrent 495 GPa.

Hvordan får man trykket så høyt?
Et greit prinsipp for å få høyt trykk er: Stor kraft, lite areal. Når forskere skal studere hva som skjer med materialer ved ekstreme trykk bruker de ofte noe som kalles diamant-ambolt-celle: To slepne diamanter plasseres med spissene pekende mot hverandre. Tuppen av spissen er polert, slik at du får to runde flater med diameter omtrent så stor som et hårstrå på tvers. Mellom disse flatene plasserer du en beholder laget av et sterkt materiale, som for eksempel rhenium, wolfram, beryllium eller diamant. Du fyller beholderen med det du ønsker å studere gjennom et lite hull som plasseres der midten av diamantspissen treffer, slik at ingenting kan komme seg ut gjennom hullet. Så plasserer du diamant-paret inne i en slags klemme, og skviser til. For å finne ut av hva som skjer inne i cella kan du skinne elektromagnetisk stråling (synlig lys, røntgen eller varmestråling) inn fra den ene siden og måle hva som kommer ut på den andre siden. Du kan også bruke elektroder for å måle hvor godt materialet i cella leder strøm, og du kan varme opp eller kjøle ned cella med laser eller flytende helium eller andre kule triks. For å vite hvilket trykk du har fått inne i cella bør du, i tillegg til materialet du ønsker å studere, legge inn noe kjent, som for eksempel en liten bit av en rubin.

Hva var det forskerne klarte nå?
Ranga Dias og Isaac Silvera ved Harvard University hadde brukt mye tid på å finne ut hvordan man skulle unngå at diamantene sprekker når trykket blir høyt. De polerte spissene og etset vekk det ytterste laget for å få vekk alle mikroskopiske ujevnheter, og varmebehandlet diamantene for å få vekk alle spenningene. Hydrogen har en irriterende tendens til å krype inn i andre materialer og gjøre dem lettere å knuse, men denne krypingen trenger temperatur for å fungere, så forskerne brukte flytende helium til å holde cellen kald. I tillegg dekket de diamantene og rhenium-kapselen med et 50 nanometer tykt lag av aluminiumoksid, som det er vanskelig for hydrogen å trenge gjennom. For å unngå temperaturutvidelser som kunne gi spenninger i diamantene, brukte de bare veldig forsiktig varmestråling til å måle på hva som skjedde inne i cella, med noen ekstra målinger med laser når de kom nær det høyeste trykket de kunne oppnå.
Da trykket nærmet seg 495 GPa ble hydrogenet først svart og deretter reflekterende, akkurat som man skulle forvente seg for et metall.

Så nå er det bare å sette i gang og produsere hydrogenmetall?
Nei, ikke helt. Resultatene var lovende, men ikke alle er overbevist. Noen mener for eksempel at forskerne kan ha blitt lurt av aluminiumoksid-laget på diamantene. Det største problemet er at, siden det er så fryktelig vanskelig å oppnå så høye trykk, er det foreløpig bare er gjort et eneste eksperiment. Eksperimentet er ikke engang avsluttet. Ifølge denne reportasjen lot forskerne det metalliske hydrogenet bli værende i kjølemaskinen sin, for å gjøre flere eksperimenter på det etter at de første resultatene var publisert. Akkurat dette virker jo litt mistenkelig. Om du har laget noe så fantastisk, vil du ikke utforske det nærmere med en gang? Hva er vitsen med å vente til det er gjort offentlig? Er de redde for at neste måling skal vise noe annet?
Så om trykkmålingen stemmer, og den optiske målemetoden er god nok til å faktisk vise at det var metall der, så gjenstår det bare å finne ut hva som skjer med stoffet når man reduserer trykket igjen, og deretter å lage en maskin som kan skvise massevis av hydrogen under enormt trykk. Så er vi i gang.


1 kommentar

Nytt leketøy på plass!

Nå er labben enda kulere, for vi har fått en splitter ny AFM. Forkortelsen står for Atomic Force Microscope, noe som muligens kunne oversettes som atomkraftmikroskop, men det har ingenting med atomkraft (kjernekraft) å gjøre. Det AFM-en gjør er å måle kraften mellom en spiss nål og en overflate. Og om nålen er spiss nok, og det ikke er vibrasjoner i rommet og man stiller inn alle parametere riktig og så videre og så videre, så kan man gjøre dette så nøyaktig at man kan få et bilde av enkeltatomer på overflaten. Derav atomkraft – krefter mellom atomer.

I første omgang skal vi bruke det til to ting:

  1. «Ta bilder» av mineraloverflater. Vi kan gjøre eksperimenter inne i AFM-en, der vi har mineraler (enkeltkrystaller, altså) i en væske og ser på hvordan overflaten forandrer seg på nanoskala når den vokser eller løses opp. Eller vi kan ta bilder av overflater før og etter at vi har gjort ting med dem i andre eksperimenter.
  2. Måle krefter mellom overflater. Da bruker vi ikke en tynn nål, men limer fast en partikkel på «pinnen» nålen vanligvis er festet til. Det er dette jeg har gjort i eksperimenter som jeg har skrevet om på bloggen tidligere (her, for eksempel).

De siste eksperimentene gjør vi for å finne ut mer om hva som skjer når møtet mellom vann og stein gjør at steinen forandrer egenskaper. Nå er det ikke bare jeg som gjør eksperimentene: En PhD student, som allerede har gjort noen av dem i København, skal begynne på vår maskin neste uke. Og på slutten av året kommer en postdoc som skal gjøre lignende ting.

Vi fikk penger til å kjøpe denne utrolig kule maskinen som del av et ERC-prosjekt som Bjørn Jamtveit, professor ved PGP, fikk nylig. Det lønner seg altså å blande seg inn i store prosjekter. Før jul var jeg og Francois Renard, fransk professor tilknyttet PGP, på en tre dagers reise i Tyskland der vi besøkte forskjellige AFM-produsenter og fikk demonstrert utstyret deres og de alle gjorde sitt beste for å overtale oss til å kjøpe deres maskin. Etterpå  måtte vi skrive en utlysning til et offentlig anbud og vurdere tilbudene vi fikk. Ganske stressende og kompliserte greier, men heldigvis får vi glimrende hjelp fra fakultetet til slike prosesser (jeg gjorde jo det samme for SFA-en, så jeg begynner å bli dreven).

Forrige uke var temmelig intensiv og tettpakket med installering, demonstrering og opplæring på alt utstyret. Men nå er det på plass og jeg gleder meg som bare det til å komme i gang med å titte på ting på nanoskala. Med de to instrumentene vi har på labben nå (atomkraftmikroskopet og overflatekraftmikroskopet) kan vi få et ganske utfyllende bilde av hvordan forskjellige overflater påvirker hverandre når de er i kontakt. Jeg skal passe på å få lagt ut noen fancy AFM-bilder på bloggen etterhvert.


4 kommentarer

Dråpefysikk med lego

Vi ville at studentene på denne forskerskolen skulle få gjøre et praktisk eksperiment i tillegg til all kvantemekanikken og molekylærdynamikken. Men det er jo ikke alt vi gjør på labben som så enkelt lar seg transportere til et hotell på Gran Canaria og gjennomføres av 15 studenter på en gang. Heldigvis kan man lære mye av å studere dråper.

Utstyr: Utrolig kule, små lommelykt-aktige USB-mikroskop av typen DinoLite. Kalsittkrystaller, mikroskopglass, pipetter, vann, olje, sprit, hansker, skalpeller, og ikke minst tape, lego og lommelykten på mobilen.

IMG_5080

Resultat: Vinkelen mellom dråpen og underlaget varierer ut i fra hva du har hatt på underlaget før. Helt nye overflater av kalsittkrystaller fukter vann utrolig bra. Vinkelen for en dråpe som utvider seg er større enn en som krymper. Når en dråpe fordamper, beveger kontaktlinjen seg innover i periodiske rykk. Observasjoner stemmer overens med simuleringer tidligere i uken, med en del tolkning.

Nå er det snø på toppene her i syden, så det er på tide å dra hjem til vinterferien. Heldigvis er en av veiene til flyplassen fortsatt åpen.

IMG_5100


Legg igjen en kommentar

Fysikksydentur

Hjemme er denne uka full av foreldremøter, karneval, vennegrupper og fotballtreninger, men jeg er ikke med på noe av det, for jeg er på jobb på Gran Canaria. IMG_5053.JPG

Her er det vår og fint og sol. Dette er en forskerskole for doktorgradsstudenter i et europeisk nettverksprosjekt med fokus på overflateprosesser på nanoskala i sement og lignende materialer. Poenget med å møtes på dette hotellet midt inne på øya på Gran Canaria er at vi skal være sammen hele tiden og snakke masse vitenskap med hverandre.

Vi startet dagen med to timer forelesning om kvantemekaniske beregninger. Så skulle studentene ha to timer skrivekurs, men siden jeg ikke er student fikk jeg gå en tur.

IMG_5050

 

Nå gjør studentene kvantemekaniske beregninger, som jeg lurte på om jeg skulle bli med på, men jeg begynte å synes at jeg skulle ha jobbet med de forelesningene jeg selv skal holde, så da gikk jeg på rommet mitt (og skrev blogg?). Til arbeid!

IMG_5054.JPG


1 kommentar

Ting på plass!

Det viser seg at desto viktigere ting er, desto vanskeligere blir det å blogge om det. Dette har ført til uvant lite blogging i det siste. Nå er det på tide å gjøre noe med det, så her kommer en oppdatering fra labben.

I slutten av mars ble apparatet mitt levert. Labben var klar... klar nok. Ting fungerte. Det ble noen hektiske dager med foredrag, møter, middager og fikling med ting som skulle justeres og limes og tilpasses i siste liten.

Siden det var så viktig å få alt på plass før leveransen, ble det til at jeg ryddet alt annet til side en stund. Etterpå dukket alle de andre tingene opp. Derfor ble det en hektisk måned som endte i en hesblesende uke, fulgt av noen flere hektiske uker der jeg måtte gjøre alt det andre som jeg egentlig skulle ha gjort.

Det ser lovende ut!

Professor Jacob Israelachvili, SFA-ens «far», tester utstyret. Det ser lovende ut!

Apparatet «mitt» er altså et Surface Forces Apparatus, som brukes til å måle krefter mellom overflater når de er mindre enn noen hundretalls nanometer fra hverandre. Det er disse kreftene som sørger for at ting henger sammen – eller ikke henger sammen. Jeg har tenkt å bruke det til å finne ut av hva som bestemmer hvorvidt mineraler klistrer seg til hverandre, sånn at vi får solide materialer, eller dytter hverandre vekk og får ting til å sprekke opp.

I apparatet monterer vi opp to flater av ønsket materiale, 2-3 mikrometer tykt, med sølv på baksiden. Disse er limt på hver sin buede glassbit. Når overflatene er nær hverandre og vi sender hvitt lys gjennom den, oppstår det et morsomt fenomen. Det av lyset som kommer seg gjennom den første sølvflaten uten å bli reflektert tilbake til lampen, vil bli reflektert frem og tilbake mellom de to speilene. Dersom bølgelengden til dette lyset er slik at et helt antall av halve bølger får plass mellom speilene, vil lyset forsterkes ved hver refleksjon. Til slutt er det bare disse bestemte bølgelengdene som slipper gjennom, og alt annet blir sendt tilbake. Lyset som har sluppet gjennom begge overflatene sender vi inn i et spektrometer, der lys med forskjellig bølgelengde blir sendt i forskjellige retninger. Så sendes lyset til et kamera, og om vi har gjort ting riktig får vi et bilde som ser slik ut:

IMG_3901

Hipp hurra! Så er det bare å sende bildet til Matlab og beregne avstander og slikt. Jeg greier ikke forklare dette mer skikkelig i løpet av et trøtt blogginnlegg, men om dere følger bloggen videre vil det nok dukke opp flere liknende bilder i fremtiden. Når man bare har sett og hørt noe mange nok ganger, kan man begynne å synes at man forstår det. Så hold ut.

Alt har selvfølgelig ikke gått helt på skinner etter leveransen, men det kommer seg.

For eksempel: Jeg hadde tre motorer og tre kontrollkort. Hvor skal jeg sette ledningene? Jeg gav elektronikklabben kortene og det jeg kunne finne av manualer og bad dem om å putte det i en boks som jeg kunne sette ledning i og slå på, og så skulle det fungere.

Det var ikke riktig så lett. I det hele tatt. Men nå funker det, og det er bare å sette seg ned å skrive programmet for å styre motoren. Det er nok heller ikke så lett, men det kommer til å gå det også .

Den FUNKER!!

Den FUNKER!!

Det som er litt skummelt med sånne store tekniske prosjekter er at jeg synes jeg kan bli så overveldet av de praktiske tingene som skal gjøres at jeg mister målet litt av syne. Nå er vi snart der at vi kan begynne å gjøre eksperimenter. Får vi gjort noe vettugt? Legg merke til at jeg sier vi, for nå er det ikke bare jeg som skal jobbe med dette prosjektet, det er også to doktorgradsstudenter. Det er ille nok om jeg roter meg bort og ikke får til noe, men det er helt uaktuelt at jeg skal rote bort årevis av andre personers liv til å gjøre ting som ikke funker. Så det er bare nødt til å bli bra.


1 kommentar

Det blir fint på labben!

I september ryddet jeg, En hel lab skulle gjøres klar etter en 15-20 års bruk og settes klar til nye oppgaver. Vegg ble reparert, gammelt støv vasket ut og nå har vi begynt å fylle den opp med leketøy. Det er på tide med en oppdatering.

Hovedpersonen på labben blir en SFA2000, et Surface Forces Apparatus. Selve SFA2000 har enda ikke ankommet fra USA, men siden dette er et instrument det bare finnes noen få av rundt i verden er det ikke bare å bestille en dings og sette den på bordet. Under er noen av delene jeg har kjøpt og satt opp og begynt å teste:

– optisk dempet bord (det blanke) ble hentet fra kjelleren. Sterke karer hjalp til med flyttingen. En annen hjelpsom kar fra verkstedet hjalp meg med å trekke slange fra trykkluftuttaket på veggen for å koble til bordet. Dette må man ha for at ikke eksperimentet skal ødelegges av vibrasjoner.

– Den lille dingsen med rød nese bakerst til høyre på bordet er en lampe som skal gi hvitt og helt stabilt lys.

– Optisk ditt og datt på bordet ligger og venter på ditt og datt som ikke har kommet enda. Da skal jeg montere opp linsene mine og se om jeg klarer å fokusere lyset på riktig sted.

– Den mørkeblå «kassa» oppå et lite bord oppå bordet er et spektrometer, som man bruker til å splitte lyset i alle bølgelengdene sine. På baksiden sitter et veldig fancy kamera som er vannkjølt. Jeg koblet på vannledningene i dag (blå greier som går ned til vannsirkulatoren under det hvite bordet), men den ene koblingen lekker litt fortsatt, og det går jo ikke. Bordet til spektrometeret har verkstedet laget for meg.

– PCen er selvfølgelig kjøpt inn spesielt for formålet med et par spesielle kort i seg. På den ene skjermen kan man se signalet fra spektrometeret. I tillegg kommer jeg til å skrive en del programvare for å kjøre eksperimentet og analysere data.

– labfrakk nonsjalant slengt over stolryggen, såklart.

IMG_3778

Rett ovenfor bordet til SFA-en har vi satt en AFM, som er et Atomic Force Microscope. Den skal vi bruke til å avbilde overflater på nanoskala. Denne har ikke jeg kjøpt, men det var ingen som brukte den, så jeg hentet den opp fra kjelleren. Blytungt betongfundament + steinplate (for å unngå vibrasjoner) fant jeg på en annen lab.

Selve AFM-en er liten og nett (den røde og svarte lille sylinderen), men den har en kontrollboks (hvit greie under benken) som er ganske stor.

IMG_3779

Mikroskop er også fint å ha. Dette fant jeg i 4. etasje, det ble kjøpt til et annet prosjekt for mange år siden og var nå stort sett ubrukt. Her er eksperiment in action (det står IKKE RØR på den grønne lappen, veldig viktig). Kameraet på mikroskopet er programmert til å ta bilder med jevne mellomrom, som man så kan sette sammen til en film.

IMG_3780

Her har vi kjemibenken, med pH-og ioneprobe som er koblet til datamaskin, presis labvekt, et nytt rørestativ og ymse annet stæsj.

Stolen er visst litt skral.

IMG_3781

I dette hjørnet har vi fått inn en LAF, altså en Laminar Airflow Bench. Da den ble levert var jeg ganske engstelig for om den skulle komme seg inn gjennom døren. Det gikk såvidt, men ikke uten at jeg måtte mobilisere folk for å flytte noen enorme skap fra gangen på veldig kort varsel. Nå står den der og går nok ingen steder med det første.

LAF-benken trekker inn luft gjennom et partikkelfilter i toppen og slipper den ned i luftstrøm uten turbulens, slik at ingen støvkorn fra utsiden kan bli trukket inn i arbeidsbenken. Denne skal vi bruke til å jobbe med veldig rene ting, både for å gjøre klar overflater til SFA-eksperimenter, og til å lage mikrofluidikk-celler som brukes på labbene i kjelleren. Den er ikke helt klar ennå, for verkstedet skal montere en spin-coater og en varmeplate med avtrekk i den ene enden.

IMG_3782

Det som er ekstra hyggelig er at det ikke bare er meg på labben lengre. Nå er vi fire stykker som er inn og ut og driver med ymse ting her. Ikke bare er det trivelig med folk, men det gjør jo også at ting blir gjort både fortere og bedre enn om jeg skulle ha drevet med alt helt selv. I morgen kommer en rørlegger som skal legge opp rør til nitrogen. Det er ofte kjekt å kunne blåse litt med nitrogen så det skal vi kunne gjøre fire forskjellige steder i rommet.

Se så fint det blir!

IMG_3783


2 kommentarer

Det er lurt å kunne programmere

Min spesialitet som forsker er at jeg gjør eksperimenter. Det betyr ikke at det er det eneste jeg gjør, for jeg har også publisert resultater av simuleringer, teoretisk arbeid og til og med feltarbeid. Men det betyr at jeg har bedre trening i det å gjøre eksperimenter enn mange andre, og at det er mange andre som er bedre til å løse ligninger og å skrive dataprogrammer enn det jeg er. Siden man gjerne oppnår mest når alle får gjøre det de er best til, holder jeg meg gjerne til eksperimentene.

Men eksperimentelt arbeid består slett ikke bare i å stå på labben og skru sammen ting og måle det ene og det andre. Man må også kunne bruke måleresultatene til noe. Når man har samlet en lang liste med data, kan man for eksempel lime dataene inn i et regneark, legge inn formler og plotte og lese av verdier til man får det man er ute etter.

Data.

Data.

Det fungerer helt fint, men jeg blir fryktelig lei av å klikke på filer og markere og kopiere og lime etterhvert. Alt for mye klikking.

Her kommer programmeringen inn. Om man bare kan de rette triksene, kan man skrive et program som gjør at datamaskinen selv kan åpne filer, kopiere inn tall, gjøre utregninger og lagre det som skal lagres. Ett trykk og vips (eller, mens du drikker en kopp kaffe) kommer resultatene ut helt av seg selv.

3890. Matlab fant svaret.

3890. Matlab fant svaret.

Ikke nok med det: Datamaskinen blir ikke sliten av av utregninger som er lange og kompliserte og som kanskje må gjøres en million ganger for å komme fram til svaret. Der man før i tiden måtte bruke forenklinger, for å i det hele tatt å ha muligheten til å komme fram til et svar, kan man nå helt uten anstrengelse få datamaskinen til å regne ut den eksakte løsningen.

Om man kan programmere så kan man altså ikke bare spare seg for enormt mye kjedelig arbeid i dataanalysen, man kan også få enda mer eksakte svar enn om man skulle gjøre analysen på gamlemåten.

Det kan kanskje virke rart, men de fleste som blir trent opp i eksperimentell fysikk, kjemi eller noen av de andre naturvitenskapene rundt omkring i verden ikke spesielt mye programmering. Her har studentene i Oslo en kjempefordel, siden de lærer å bruke programmering som verktøy helt fra første semester. Dessverre gjør visst dette at alle studentene vil drive med fysikk foran en datamaskin, istedenfor å leke med virkelige ting på laboratoriet. Det tror jeg vi bør gjøre noe med, men jeg vet ikke helt hva.

Instituttet har laget en fin liten video om databeregningene i utdanningen. Kommende fysikkstudenter: se og bli inspirert!