Derfor bør vi slutte å overse mellomstadiene i materialforskning

Jeg elsker det når forskere ser noe som alle andre har oversett.

Problemet med hvordan vi utvikler nye materialer er dette: Forskere fokuserer som regel på begynnelsen (hva du starter med) og slutten (hva du ender opp med). Men en fersk studie tyder på at vi har gått glipp av noe stort ved å ignorere alt som skjer i mellom.

Mellomstadie-problemet

Tenk på det som å bake brød. Du tenker nok mest på melet og vannet som går inn, og den lekre loffen som kommer ut. Men hva med øyeblikket da det bare er... deig? Det mellomliggende stadiet? Det viser seg at i materialvitenskap kan disse korte mellomstadiene gjemme på noen utrolige hemmeligheter.

Forskere ved University of Warwick og University of Birmingham bestemte seg for å faktisk følge med på disse mellomstadiene. De brukte spesielt designede molekyler som kalles «single-source precursors» — tenk på dem som bitte små byggesteiner som allerede inneholder alt som trengs for å lage et materiale. Deretter observerte de hva som skjedde når de varmet opp disse molekylene, og tok nøye notater ved hvert steg i transformasjonen.

Det de fant? En hel haug med materialer som ingen visste eksisterte.

En ny type vismutvanadat

Én oppdagelse som virkelig fanget min interesse var noe som heter β-BiVO₄. Dette er en ny form for vismutvanadat, som allerede er ganske populært i forskning på ren energi. Den vanlige versjonen av vismutvanadat har en nyttig egenskap som gjør den god på å absorbere sollys og spalte vann for å lage ren hydrogen.

Men denne nyoppdagede formen? Den har en annen atomstruktur og et betydelig større bandgap — som er måten den samhandler med lys på. Det kan høres ut som en ulempe, men her blir det spennende: Disse forskjellene kan faktisk hjelpe forskere med å finjustere materialer for spesifikke bruksområder. Det er som å oppdage at du har flere knotter å vri på enn du trodde.

Kan dette gi bedre batterier?

Her blir min indre teknernd skikkelig gira. Under eksperimentene oppdaget forskerne også at noen av disse mellommaterialene var svært gode på å lagre litium. Litium er selvfølgelig nøkkelingrediensen i oppladbare batterier.

Nå skal jeg ikke påstå at vi er i ferd med å få telefoner som varer i ukesvis (selv om det hadde vært deilig?), men denne oppdagelsen kan bidra til neste generasjons batteriteknologi. Og ærlig talt? Etter år med å høre om «gjennombrudd innen batteriteknologi» som alltid er ti år unna, tar jeg gjerne imot enhver lovende ny leads jeg kan få.

Hvordan så de ting som alle andre overså?

Forskerne brukte ganske avanserte verktøy for å observere disse normalt usynlige stadiene: faststoff-NMR-spektroskopi, røntgendiffraksjon og noe som kalles «pair distribution function analysis». Alle de avanserte teknikkene ble tatt i bruk for å fange materialene i ferd med å bli til.

Resultatene avslørte også noe viktig: Utgangsmaterialet og hvordan det brytes ned påvirker faktisk hvilke mellommaterialer som dannes. Det betyr at forskere kanskje kan bevisst konstruere hvilke skjulte materialer som dukker opp ved å velge ulike utgangspunkt.

Hvorfor dette betyr noe

Dr. Dominik Kubicki fra University of Birmingham formulerte det godt: Disse mellomstadiene er ikke bare trinn på veien — de kan ha nyttige egenskaper i seg selv.

Det er en ganske dyp endring i måten å tenke på. I tiår har forskere løpt etter å oppdage nye materialer, og har ofte behandlet mellomliggende faser som korte, uinteressante stoppesteder. Men denne forskningen tyder på at vi har gått forbi en gullgruve av uoppdagede forbindelser hver eneste gang vi har syntetisert noe nytt.

Dr. Sebastian Pike fra University of Warwick var en del av teamet, og han innrømmer at de ikke visste nøyaktig hva de ville finne. «Vi var sikre på at det ville være noe interessant og ukjent i mellomfasene,» sa han. «Vi ble begeistret over å oppdage at noen av disse kan ha praktiske bruksområder, allerede fra de første eksperimentene.»

Det store bildet

Jeg vet at dette kanskje høres litt teknisk ut og fjernt fra hverdagen. Men her er hvorfor jeg genuint er begeistret: Vi lever i en tid hvor vi desperat trenger bedre batterier, mer effektiv solcelleteknologi og renere måter å produsere energi på. Hvert nytt materiale vi oppdager er en mulig brikke i puslespillet som hjelper oss med å gå bort fra fossile brensler.

Og det vakre med denne forskningen? Den tyder på at vi har oversett en hel kategori materialer. Ikke fordi de var gjemt i fjerne huler eller dype havgroper, men fordi vi bokstavelig talt ikke så i riktig retning. Mellomstadiene var der hele tiden, dannet seg og forsvant foran oss mens vi holdt øynene festet på målstreken.

Det er en ganske ydmyk påminnelse, ikke sant? Noen ganger er de viktigste oppdagelsene ikke på steder vi ikke har vært — de er på steder vi har vært for opptatt av noe annet til å legge merke til.

Forskerne erkjenner at de bare har skrapet i overflaten. De studerte noen få forløpere, men tilnærmingen deres peker mot en mye bredere mulighet. Ved å kontrollere temperatur, kjemi i forløperne og reaksjonsveier nøye, kan det være mange flere skjulte men ekstremt nyttige materialer som venter på å bli funnet.

Jeg kommer til å følge med på dette. Dette kan være starten på en helt ny måte å oppdage materialer for vår grønne energifremtid.

Kilde: ScienceDaily