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.


Legg igjen en kommentar

Kjemisk potensiale i nanoporer, svømmetur og en bjørn

Jeg er på konferanse i USA, og overskriften oppsummerer dagens høydepunkter.

Hjemme er det skolestart, barnehagestart, fotballstart og korpsstart. Jeg er i New Hampshire og tenker på deformasjon av stein. Dette er en såkalt Gordon-konferanse, som holdes i en rekke fagfelter og har et veldig fint format: Tre foredrag på en time hver om morgenen, lunsj, fritid (der man sitter i sola og diskuterer vitenskap, eller drar og svømmer i en varm innsjø, som jeg fikk gjort i dag), deretter to timer med poster-session (se på og diskutere plakater som de som ikke holder foredrag har laget om forskningen sin), middag, og så to timer foredrag fra 1930 til 2130. Det kan være bittelitt vanskelig å holde seg våken på de siste foredragene. Ellers bra.

IMG_6329

Proctor Academy, nydelig sted å ha konferanse.

Tema for konferansen er «Rock Deformation», som altså betyr hvordan stein beveger på seg: Hvordan foregår store og små jordskjelv, hva vet vi egentlig om friksjon, hvordan kan man få små og store jordskjelv av å pumpe vann ned i bakken, hva skjer med krystallene i is som flyter og i stein som flyter dypt nede i jorda, og sånt. Noe som er litt rart er at det var et stort jordskjelv i Italia i natt som jeg ikke har hørt et ord om i løpet av dagen. Det henger kanskje sammen med at det er lite snakk om å forutsi jordskjelv. Det finnes folk som jobber med det, men det er vanskelig, og jeg er usikker på om noen av dem er her. For denne gjengen handler det mer om å forstå prosessene i jorda.

Jeg er så heldig å være invitert hit til å holde foredrag. Dette gjør at jeg får betalt reise, eget rom, slipper å stå og henge ved en plakat, og fikk bruke en hel time på å fortelle og svare på spørsmål om hva jeg driver med. Når jeg i tillegg fikk snakke mandag morgen, slipper jeg å være stresset resten av uka, og får masse tid til å diskutere med folk som gjør relevante ting. Det jeg har snakket om er hva som skjer mellom overflater på nanoskala, og det er det mange som er interessert i.

IMG_6327

Jeg holder foredrag.

Et av dagens høydepunkter var å sitte i sola i pausen og fundere over hvordan det kan gå for seg når korn i stein glir mot hverandre dypt nede i jordskorpen og dette får vann til å strømme fra dypet og opp mot overflaten. Her kan nanoporer, altså vannfylte hulrom som bare er noen få atomer store, være viktige. Kan jeg klare å finne ut noe om dette med mine eksperimenter?

Høydepunkt nummer to var at jeg rakk å kjøre opp til den lokale innsjøen og ta et bad i slutten av pausen.

Og høydepunkt nummer en må ha vært at jeg så en bjørn på morgenløpeturen min i skogen. Den var svart, ikke så veldig stor, og gikk vekk fra meg (heldigvis) et stykke unna. Jeg brukte resten av løpeturen på å fundere på hva man skal gjøre om man treffer en svartbjørn på stien. Skal man rygge, spille død, eller se stor og skremmende ut? Etter diskusjoner med de lokale har jeg kommet fram til at man skal prøve å skremme bjørnen, men håper jeg slipper å prøve det i morgen (om jeg i det hele tatt våkner tidlig nok til å løpe).

IMG_6335

Morgenstemning i skogen og ikke en bjørn i sikte.


Legg igjen en kommentar

Kavliprisen til AFM!

Vi har fått en kjendis på laben. Altså: Den har vært der siden i vinter. Men i går ble det annonsert at oppfinnerne av AFM, Atomic Force Microscope, blir tildelt årets Kavlipris i Nanoteknologi. Hurra!

Dette kan vi feire med et AFM-bilde av overflaten på et mineralkorn som har vokst på innsiden av en gammel gruvegang i Røros. Her ser vi mikrometer-tykke lag av mineralet, og artige strukturer på nanometerskala.

Skjermbilde 2016-04-14 14.05.50

Instituttet har lagt ut en video på Facebook der jeg peker og prøver å forklare hva denne maskinen egentlig gjør, som du kan se her om du vil forstå mer.


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

Menthos og cola!

På torsdag hadde jeg gleden av å snakke om fysikk for 200 videregående-elever på besøk på Blindern. Siden jeg fikk lov til å snakke om hva jeg ville, sørget jeg for et tema som passet til å gjøre menthos i cola-trikset. For det er gøy.

Siden jeg ikke har gjort dette så ofte, måtte vi trene hjemme kvelden før. Da jeg foreslo at jeg skulle bruke hele menthospakken løp barna og gjemte seg. Det viste seg i ettertid at de hadde gjort noe litt mer heftig i barnehagen – nemlig å helle en hel menthospakke i colaflasken, sette på lokket, og deretter se flaska eksplodere – så det var ikke så rart at de var skeptiske til å gjøre dette hjemme. Vi ble enige om å bruke fire menthos, og det gav en gøyal men lett å tørke opp colavulkan.

Screenshot 2016-02-13 09.18.44

Hva er det som skjer?

Når man lager brus, tilsetter man CO2 under høyt trykk. Desto høyere trykket er, desto flere CO2-molekyler er det plass til i vannet. Når flasken åpnes, faller trykket plutselig og gassmolekylene får veldig lyst til å unslippe. Men det er ikke så lett. De kan slippe unna ved luftoverflaten i toppen, men veien dit er evig lang for molekylene langt nede i flaska. Den andre rømningsveien er gjennom bobler, men disse boblene er det ganske vanskelig å lage. Derfor befinner colaen i den åpnede flasken seg i en metastabil tilstand. Det betyr at den ikke trives sånn som den har det, men at den ikke greier å ta steget over i en mer stabil tilværelse.

Menthosene jeg slipper i flaska har en ru overflate av et stoff som vannet ikke liker. Her har gassmolekylene en glimrende anledning til å samle seg og danne bobler. så stiger boblene opp til overflaten, drar med seg vann og sukker oppover og lager en skumfontene. Det er sukkeret og fargen og andre stoffer i menthosene og colaen som gir det morsomme skummet – det samme skjer om du heller sand i farris, men med en mye mindre og kjedeligere fontene.

Google har forresten fortalt meg at det blir enda bedre om du bruker lettbrus. Og hvis du vil gjøre det skikkelig profesjonelt kan du kjøpe spesialdesignede menthosholdere fra Andreas Wahl.

 

Hva med gravitasjonsbølgene?

Jada, det var viktigere ting som skjedde på torsdag. Helt revolusjonerende fantastisk, faktisk. Det kan du lese om på Maria Hammerstrøm sin blogg.


Legg igjen en kommentar

Ørkenbillen og det forsinkede flyet

I den namibiske ørkenen, der ingen skulle tru at nokon kunne bu, lever en bille ved navn Stenocara gracilipes. Om morgenen, når tåken ruller inn fra havet, klatrer billen opp på toppen av en sanddyne og stiller seg med rumpa opp. Etterhvert danner det seg vanndråper på ryggen til billen. Når dråpene har blitt store nok, løsner de og triller nedover til billens munn. Slik blir den stående til den har fått nok vann til å klare seg resten av dagen.

5727784378_89665f9f1c_z

Namibisk ørkenbille. Denne heter Onymacris unguicularis, men fungerer på samme måte som vår venn stenocara. Bilde: James Anderson/Flickr/CC license

Det som får dråpene til å vokse er at ryggen til billen er dekket av et mønster med hydrofile, vannelskende, humper på en hyrofob, vannhatende, bakgrunn. Vannet i tåken fester seg til de hydrofile humpene og bygger seg opp til større og større dråper, som ikke vil spre seg utover på det hydrofobe underlaget. Siden de har en relativt liten overflate å henge seg fast i, løsner de når de har kommet over en viss størrelse, og kan trille fritt nedover som en dråpe på et marikåpeblad.

Denne geniale billeteknologien har forskere en god stund brukt som utgangspunkt for overflater som kan høste drikkevann fra luftfuktighet i tørre områder. Men det er mer. Som vi kjenner godt til, kan fuktig luft fryse på overflater. Dette kan skape forsinkelser i flytrafikken fordi flyene må stå i kø for å komme bort til den sci-fi aktige avisningsmaskinen. Her sprayes gufne eller mindre gufne kjemikalier på flyvingene for å senke frysepunktet, slik at det blir mindre sjanse for nedising. Kanskje ørkenbillen kan gi oss et hint om hvordan dette kan gjøres bedre?

Svaret er selvfølgelig ja, og her kommer oppdagelsene på løpende bånd. I desember i fjor ble det publisert en artikkel der man viser hvordan avisingen kan gjøres bedre ved å spraye på frostvæsken som små dråper istedenfor en sammenhengende hinne. De små dråpene av frostvæske er nemlig slik at de gjerne vil ha mer vann i seg. Når vanndampen kommer i nærheten av disse dråpene, og får valget mellom å starte en ny liten dråpe på underlaget ved siden av eller å hoppe inn i frostvæskedråpen, velger de helst det siste. Om  disse dråpene legges med passe stort mellomrom, vil de dermed holde overflaten tørr mellom seg. Vannet som har havnet i frostvæsken blandes fort med resten av dråpen, slik at frysepunktet holdes lavt. Om man legger frostvæsken jevnt utover hele flyvingen, skjer blandeprosessen treigere, og det vil lettere kunne dannes et lag med nesten rent vann på toppen av hinnen, som kan fryse til is. Derfor er dråpemetoden mer effektiv.

Det neste forslaget, som ble publisert i Nature nå i januar, er å kle flyvingen i en ørkenbille-drakt. Da vil vannet samle seg på de vannelskende flekkene, med tørre områder imellom, som i eksempelet over. I dette tilfellet fryser vanndråpene ganske kjapt til is. Men, siden flekkene sitter forholdsvis langt fra hverandre, utvikler ikke dette seg til et sammenhengende ispanser. Kan det være bedre å få litt is på flyvingen, på en kontrollert måte, enn plutselig og ukontrollert isvekst? Isåfall kan dette være veien å gå.

 


Legg igjen en kommentar

Fyrverkerifysikk

Godt nyttår!

Hva er det egentlig som skjer når vi fyrer opp raketter? Hvordan ser fyrverkeriet ut inni, og hva er det der oppe i lufta som gir alle de fine effektene?

Jeg vet ikke med deg, men jeg har lurt på dette. Det viser seg at kjemien som skal til for å produsere forskjellige effekter kan være ganske kompleks, men noen grunnprinsipper er ikke så vanskelige å forstå.

1. Oppbygningen

Stort sett ser fyrverkeriet ut som et papprør, eller flere rør, med lunte. Røret fungerer som en kanon. I bunnen av røret ligger en kruttladning, og oppå den ligger kula som skal eksplodere i lufta og lage effekter. Når du tenner på lunta, antennes kruttladningen først. Den produserer masse varm gass som får kula til å presses ut i den eneste mulige retningen, nemlig opp gjennom papprøret og videre opp i lufta. Samtidig gikk flammen videre til en langsommere lunte, som får kula til å antennes i akkurat riktig høyde.

Inne i kula er det en ny kruttladning eller lignende som får kula til å eksplodere, og en eller flere pyrotekniske «stjerner», som er klumper laget av diverse kjemiske stoffer som gir farger, glitring, lyd ogsåvidereogsåvidere. Akkurat dette kunne man lett bruke et helt kjemikurs på, så jeg skal begrense meg til noen hovedsaker.

2. Farger

Hvit og gyllen farge kan man lage ved å varme opp stoffer så mye at de gløder, på samme måte som vi får lys fra trekull eller varm lava. Men de klare fargene, som rød, grønn og blå, kommer på en litt kulere måte. Inne i fyrverkeriet er det salter laget av metaller (metallsalt er ikke noe veldig spesielt: NaCl, vanlig bordsalt, er også et metallsalt. Na, natrium, er metallet, og det har dannet et salt sammen med klor.)

Det skjer noe spesielt når disse metallene varmes opp mye. Først begynner atomene bare å bevege masse på seg, men etterhvert blir de så gira at de ytterste elektronene deres klarer å klatre ett trappetrinn lengre vekk fra kjernen. Ut på tur! Kult! Denne lufteturen varer imidlertid ikke så lenge, for de er ganske hjemmekjære, disse elektronene. Når elektronet faller ned et trappetrinn igjen, mister det litt energi. Om jeg faller ned trappa, mister jeg også energi. Det gjør at det sier bang og jeg får vondt. Men når et elektron faller ned, mister det energien sin ved at det sendes ut lys i en bestemt farge. Siden trappetrinnene til forskjellige metaller har litt forskjellig lengde, er fargen fra hvert metall forskjellig. Det er dette vi gjør bruk av i fyrverkeri: Rødt fra strontium, orange fra kalsium, gult fra natrium, grønt fra barium og blått fra kobber. Se etter neste gang, så vil du se at den røde fargen er akkurat den samme røde fargen i hver eksplosjon. Fargeskrinet kan utvides ved å blande forskjellige stoffer, for eksempel strontium og kobber for å få lilla.

3. Plystring

Du vet de skrikerakettene? De som lager en lang plystrelyd som starter med en høy tone og ender med en som er litt lavere. Sånn fungerer de:

Et brennbart stoff er tettpakket nederst i et rør. Det antennes og brenner fra toppen. Brenningen lager varm gass som presses ut av toppen av røret. Dette gir en lyd, som når man spiller på en fløyte.

Etterhvert som stoffet brenner, blir det mer plass i røret. Fløyta blir lengre. Det gir en dypere lyd, og det er derfor tonen glir gradvis nedover.

Det er mye jeg ikke vet om fyrverkeri, så fortell det gjerne i kommentarfeltet om du vet noe mere morsomt om det!