Mye av dagens teknologi inneholder materialer som er lite bærekraftige. NMBU-stipendiat Elin Dypvik Sødahl jobber med å finne alternative materialer slik at vi kan fortsette å bruke dagens teknologi, men med mindre energi.
Ved å kombinere kvantefysikk, maskinlæring og systematiske søk i materialbibliotek, har Elin Dypvik Sødahl funnet organiske materialer som kan erstatte tungmetaller i teknologien vi omgir oss med til daglig. I doktorgradsarbeidet sitt har hun forsket på hvordan krystaller av molekyler kan ha ferroelektriske egenskaper.
– Ferroelektriske materialer er materialer som har en indre elektrisk retning, litt på samme måte som en magnet, som har en magnetisk retning, sier Sødahl.
Materialene hun snakker om er viktige komponenter i mye av teknologien vi bruker hver eneste dag, som mobiltelefoner, PC-er og biler. De brukes også i medisinsk utstyr, som ultralydapparater.
Organiske molekyler kan være mer bærekraftige byggesteiner enn atomer
Typiske ferroelektriske materialer er ofte laget av tungmetaller som bly. I tillegg til at de kan være giftige, krever det mye energi å produsere disse materialene. Et mer bærekraftig alternativ kan være å bruke organiske molekyler som byggesteiner istedenfor atomer. Da trenger man verken tungmetaller eller dyre produksjonsprosesser.
– Et stort problem med slike molekylmaterialer er at de ofte er sprø og vanskelige å forme. Derfor blir de brukt lite i teknologi, sier Sødahl.
Heldigvis finnes det en type molekylmaterialer hvor dette ikke er et problem.
– Hvis molekylene er små og kompakte kan de begynne å snurre rundt og oppføre seg nærmest som små kuler når de varmes opp. Dette er en faseovergang, litt som når is smelter og blir til vann. Materialet er fremdeles et fast stoff, men nå kan det formes på samme måte som metaller og kalles derfor «plastiske krystaller», som ikke må forveksles med plast, sier Sødahl.
Må fungere i romtemperatur
I denne faseovergangen slutter materialene å være ferroelektriske. For mange materialer skjer dette under romtemperatur. Hvis vi vil utnytte de ferroelektriske egenskapene til molekylkrystallene, må vi finne materialer der faseovergangen skjer ved relativt høye temperaturer – høyere enn romtemperatur. Ellers forsvinner egenskapene vi ønsker å utnytte, og teknologien fungerer ikke som ønsket.
Sødahl viser til teknologi vi bruker hver dag som eksempel.
– PC-er og mobiler blir varme når vi bruker dem, når de lader, og hvis vi bruker dem ute i varmt vær. Da burde temperaturen der molekylene begynner å snurre være godt over temperaturene vi forventer å bruke pc-en eller mobilen i, sier Sødahl.
Leter etter materialene i database
Selv om disse materialene har stort teknologisk potensial, så vet vi ikke om så mange slike plastiske krystaller med ferroelektriske egenskaper. Men det finnes hundrevis av små, kompakte molekyler som kan kombineres på ulikt vis til å lage plastiske – altså formbare – krystaller. For å finne flere gjennomførte Sødahl og kollegaene hennes et grundig søk gjennom materialbiblioteket Cambridge Structural Database. Dette biblioteket inneholder over en million organiske materialer. Bare rundt 70 er merket som ferroelektriske.
– I vår studie fant vi over 50 nye lovende materialer, og sammen med forskere ved UiO har noen av disse blitt laget på labben. Foreløpig har de påvist at et av de vi fant har de ferroelektriske egenskapene vi forventet, sier Sødahl.
Alle ferroelektriske materialer har såkalte piezoelektriske egenskaper. Det er dette som gjør at materialene egner seg i sensorer og ultralydapparater. Dette er materialer hvor det det dannes elektriske felt i materialet når man trykker på det. For eksempel kan det elektriske signalet fra en slik sensor utløse airbagen i en bil ved et krasj.
Sødahl brukte kvantemekaniske beregninger på superdatamaskiner til å undersøke de piezoelektriske egenskapene til et utvalg av plastiske krystaller. Dette viste at noen av materialene hadde svært god piezoelektrisk respons til vridning, nettopp fordi molekylene i materialet roterer når man vrir på materialet.
Sparer tid med maskinlæring
Vi vet ikke så mye om faseovergangen der molekylene begynner å snurre og de ferroelektriske egenskapene forsvinner. Derfor var Sødahl og kollegaene hennes interesserte i finne ut om de kunne bruke beregninger til å finne ut ved hvilke temperaturer dette skjer uten å måtte måle det i labben.
– Siden materialet ikke lenger er ferroelektrisk i faseovergangen, er dette helt sentralt for om materialet kan brukes i teknologi, sier Sødahl.
Denne typen beregninger tar veldig lang tid om man gjør det på den vanlige måten. Derfor brukte Sødahl maskinlæring for å erstatte dyre kvantefysiske beregninger. Hun fant ut at denne metoden er godt egnet til å beregne temperaturen der faseovergangen skjer.
– Ved å kombinere ulike molekyler i datamaskinen for finne ut hvilke som er best egnet for ulike teknologiske anvendelser, kan de som lager materialene fokusere kun på de mest lovende materialene, sier Sødahl.
– Hvis vi kombinerer kvantefysikk, maskinlæring og systematiske søk i materialbibliotek kan vi fremskynde oppdagelsen og utviklingen av bærekraftige materialer som kan brukes i teknologi. Dette betyr at vi kan fortsette å bruke tilsvarende teknologi som i dag, men likevel bruke mindre energi, sier Sødahl.
Elin Dypvik Sødahl forsvarer sin doktorgradsavhandling «Molekylære ferroelektriske plastiske krystaller: Beregningsbasert modellering og oppdagelse» fredag 19. april 2024. Se disputasoppslaget her.