Medvind för nya material

Tandemsolceller som kan bli ultratunna och böjbara. Renare katalysatorer för kemikalieframställning. Hopp om ett mer hållbart livsmedelssystem. Nya material behövs för ett hållbart samhälle – och de stora forskningsanläggningarna i Lund kan ge vind i seglen. Här ger LTH-forskare tre exempel på material som ska vara till nytta för världen.

– Publicerad den 3 juni 2020

LTH:s materialforskning är unik i sin bredd. På bilden: Elektromagnet vid 3 GeV-ringen – eller ”stora ringen” – på forskningsanläggningen Max IV. Foto: Charlotte Carlberg Bärg

"Solcellerna skulle kunna användas på satelliter"

Magnus Borgström, professor vid Fasta tillståndets fysik samt vid NanoLund:

Kiselsolceller dominerar dagens marknad, men här i Lund bygger vi nanoforskare solceller på ett helt annat sätt: av nanotrådar som vi odlar av exempelvis halvledande indiumfosfid. Av dessa trådar ryms det på en kvadratmillimeter fyra miljoner.

Fördelen är att dessa små "nanoantenner" absorberar solljuset väldigt effektivt. Likaså går det åt extremt lite material.

Verkningsgraden närmar sig idag 17 procent. Men genom att kombinera celler av olika material som absorberar ljus i olika delar av solspektrumet, så kallade tandemsolceller, siktar vi mot att nå verkningsgrader över 45 procent. Detta skulle ge en god kommersiell potential.

Tester har visat en oväntad, och unik, fördel med vår teknik: Nanotrådarna är motståndskraftiga mot strålning av protoner. Det gör tekniken intressant för rymdapplikationer, exempelvis skulle den kunna användas på satelliter.

Eftersom de här solcellerna är ultratunna och kan bli böjbara, kan de också komma att användas på exempelvis telefonskal, ytterkläder, bilar och hus.

Det är inte troligt att de nya nanomaterialen konkurrerar ut kisel som material för solceller, men på sikt kan de bli komplement. 


"Vi kan bidra till framställningen av mer hållbara katalysatorer"

Maria Messing, universitetslektor vid Fasta tillståndets fysik och koordinator för materialforskningen vid NanoLund:

En katalysator är ett ämne som möjliggör, förenklar och styr en kemisk reaktion utan att själv förbrukas. I industriella processer består katalysatorer ofta av ett slags supportmaterial som är omgivet av metallpartiklar i nanostorlek – det aktiva ämnet. Den katalytiska reaktionen sker på ytan av de här mycket små partiklarna.

Material som idag ofta används för att katalysera reaktioner är palladium, platina och rhodium, som alla är väldigt dyra material.

Vår forskning rör sig nu i två spår. Dels vill vi tillverka partiklar där materialen är mixade på nanonivå för att ersätta katalysatorer som är gjorda av en enda metall. Genom att blanda ett billigare material med ett dyrare, och se till att det dyrare utgör själva ytan av partikeln, går det att spara en massa resurser.

Ett annat spår handlar om hur vi blandar materialen i våra nanopartiklar.

Idag är tillverkningen av katalysatorer ofta slumpmässig, och man vet inte alltid hur materialen ser ut i detalj. Vi vill designa de aktiva partiklarna i katalysatorer med större precision, och använder en unik metod som ger kontroll över både partiklarnas storlek och deras kemiska sammansättning.

Vår ambition är att identifiera optimala blandningar av material och skapa mixade partiklar där de båda materialen tillsammans förstärker katalyseffekten.

Palladium och silver – som vi bland annat arbetat med – visade sig som mixade material på nanoskalan ha precis de aktiva, katalytiska egenskaper vi hoppades på. Vid CO-oxidering, som bland annat sker i vanliga bilar innan avgaserna släpps ut, lade sig palladium på ytan och kunde då katalysera reaktionen.

Jag är övertygad om att min forskargrupp kan bidra till framställningen av mer hållbara katalysatorer, där renare och billigare material dessutom förstärker varandra.

Eftersom 80 procent av all kemikalieframställning sker med hjälp av katalysatorer finns många olika katalysatorer och processer att förbättra – så uppgifter saknas inte för oss forskare.


"Ett hållbart livsmedelssystem behöver innehålla en större andel växtprotein"

Lars Nilsson, universitetslektor vid Institutionen för livsmedelsteknik:

Den direkta upplevelsen av ett livsmedel styrs av dess materialegenskaper – ett knäckebröd är till exempel fast, torrt och krispigt, en tomat är röd, mjuk och saftig och yoghurt är vit, halvflytande och krämig.

Skillnaderna kan beskrivas som materialegenskaper, som bestäms av struktur, komponenter och interaktioner mellan molekyler. Yoghurtens krämighet beror på fettpartiklarna och hur de växelverkar med proteinnätverket. Tomatens saftighet beror på cellstrukturen och pektinets egenskaper. Knäckebrödets krispighet avgörs av kolhydraternas glasstruktur.

Strukturer och interaktioner styrs av hur molekylerna är ordnade längs med ytor. Just detta kan studeras med de metoder som blir tillgängliga vid både Max IV och ESS. Vi livsmedelsforskare förväntar oss inget annat än att den nya kapaciteten i Lund ger rika möjligheter att utveckla vår forskning.

Livsmedelsforskningen styrs idag av de stora, samhälleliga utmaningarna. Ett hållbart livsmedelssystem – med ett lägre koldioxidavtryck, högre klimattolerans och en expanderad global produktionspotential – behöver innehålla en större andel växtprotein.

Detta proteinskifte ställer nya krav på kompetens kring hur proteinets materialegenskaper bidrar till livsmedlens attraktivitet – att de smakar väl, tilltalar våra sinnen, har rimlig hållbarhet och så vidare.

Livsmedel för förbättrad hälsa behöver en sammansättning med hälsosamma komponenter som i sin tur kan ställa krav på skräddarsydda strukturer. I designarbetet med livsmedel som har många tilltalande egenskaper kommer karaktärisering av övermolekylära strukturer på olika längdskalor att vara nödvändig.

Genom Max IV och ESS kan forskare få en djupare förståelse för hur hälsosamma livsmedel designas. Allmänheten ska, i förlängningen, våga hoppas på fler hälsosamma livsmedel. 



Material och möjligheter

Material och möjligheter

Läs LTH-nytt nr 1 2020

Katalysatorer för framställning av kemikalier ska skona miljön

Det beräknas att omkring 80 procent av all kemikalieframställning idag sker med hjälp av katalysatorer, och att kemikalier står för 35 procent av världens samlade bruttonationalprodukter.

Ju bättre en katalysator är, desto mindre energi går åt i den kemiska processen. Här finns med andra ord möjlighet för företag att dra ned på kostnader och även skona miljön. 

För att få fram en katalysator går det ibland, som i fallet med en del cancermediciner, åt enorma mängder kemikalier för en mycket liten mängd färdig produkt.