En ny verktygslåda för materialvetenskapen

Neutroner kan användas för att undersöka strukturer och funktioner hos material, till exempel cellmembran, halvledare, läkemedel och polymerer. Eftersom neutroner kan tränga igenom material utan att skada dem, och eftersom de är känsliga för positionen hos väteatomer, kan de användas för att studera alla former av organisk materia och de flesta andra typer av material. Neutroner kan med andra ord ge inblickar som inte är möjliga med andra tekniker och sålunda utgöra ett nödvändigt komplement till tekniker som till exempel röntgendiffraktion.

Neutronspridning användes ursprungligen som en teknik för grundforskning inom fysik och kemi, men eftersom tekniken utvecklats och vetenskapen har gått framåt har den nu fått bred användning inom en rad olika fält. Detta omfattar alltifrån traditionella ämnesområden som biologi, geologi materiallära, teknikvetenskap och energi- och miljövetenskap, till ett antal tillväxtområden, som nanoteknologi och livsvetenskap.

Eftersom neutronernas energi påminner om energin hos atomer i rörelse, kan neutroner användas för att spåra molekylära svängningar och atomrörelser i samband med reaktioner. De kan också användas för spåra förändringar i materialens egenskaper, som kan uppstå vid till exempel variationer av temperatur eller tryck.

Beteende hos komplexa material i realtid


Dr Patrik Carlsson, vetenskaplig projektledare för konsortiet ESS Scandinavia (ESS-S) förklarar:
- ESS högintensiva neutronstråle kommer att bli viktig för framtida forskning om strukturer och beteenden hos alla typer av material, särskilt komplexa material och studier kring tidsberoende fenomen. Pulserna från den högintensiva neutronstrålen påminner om de starka blixtarna från stroboskopljus. Dessa "fotoblixtar" kan sättas samman till filmer om atomers beteende i verkliga objekt, under verkliga förhållanden och i realtid.

Allt eftersom vetenskapen går framåt vänds uppmärksamheten mot studier av komplexa material och processer, till exempel proteinveckning, beteendet hos polymervätskor eller hur små molekyler själva organiserar sig till större strukturer.

Bättre förståelse för nanosystem


Eftersom ESS kommer att tillhandahålla en sådan intensiv neutronstråle, kommer det att öppna upp möjligheter inom nästan alla vetenskapliga områden som har att göra med studier av material som tidigare var väldigt svåra eller omöjliga att undersöka; alltifrån proteiner till betong. Ett antal flaggskeppsexperiment står redan och väntar på att ESS ska komma i gång.

ESS kommer till exempel att möjliggöra övervakning av katalytiska processer och bränsleceller. Det kan ge oss ledtrådar till hur utsläpp av växthusgaser kan reduceras och hur energikonsumtionen kan sänkas. Materialstudier vid ESS kan ge forskarna en bättre förståelse för nanosystem som till exempel legeringar på nanonivå och kompositer, avancerade polymermaterial och nanorör, vilka skulle kunna användas inom nya lättviktsmaterial för fordon.

ESS kommer också att möjliggöra framsteg inom medicinen, särskilt när det gäller läkemedelsutveckling, studier av åldrande och produktion av biosensorer och biochips.

En forskare som särskilt ser fram emot byggandet av ESS är Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet. Hon forskar kring nya material för energilagring, till exempel teknologi för litiumjonbatterier och vätelagring i bränsleceller.

- Nuvarande källor kan inte tillhandahålla tillräcklig insikt i de processer som vi undersöker, säger Kristina Edström. ESS och liknande anläggningars förmåga att undersöka mindre prover och förändringar i realtid kommer att bli avgörande. Vi kommer till exempel att kunna se förändringar äga rum medan batterier och bränsleceller är i drift.
 

Kunskapsbaserad ekonomi


ESS förmåga att undersöka komplexa och tidsberoende fenomen innebär att ESS har flera potentiella användare inom industrin.
 
- ESS kommer inte bara att innebär omedelbara fördelar för dagens forskningssamhälle. Det kommer förmodligen också att gagna en bredare bas av användare över tiden, säger Patrik Carlsson. Vi har sett det när det gäller till exempel MAX-lab. När MAX-lab startade för cirka tio år sedan var det en grundforskningsanläggning inom det fasta tillståndets fysik och för atomfysik. Sedan började det användas av kemister, materialforskare och geologer och i dag är strukturbiologer en av de största användargrupperna. Vi tror att vi kommer att få se samma trend vid ESS.

Text: Mark James

Denna text har tidigare publicerats i tidskriften "Facilities for future discoveries - focus on research infrastructure by the Swedish research council" från februari 2006. Texterna har anpassats till svenska av Helena Bornholm.

Dela |
Sidansvarig: Kristina Sundbaum
Senast uppdaterad: 2006-10-11
Relaterade länkar
European spallation source - framsteg för neutronforskningenöppnas i nytt fönster
ESS-Scandinavialänk till annan webbplats, öppnas i nytt fönster
Europeiska neutronforskningsportalenlänk till annan webbplats, öppnas i nytt fönster
Spallation
I anläggningar som ESS framställs neutroner genom en process som kallas spallation. Det är resultatet av att man bombarderar en tung kärna (vanligtvis kvicksilver eller bly/vismut) - med högenergetiska partiklar (vanligtvis protoner). När de snabba protonerna slår emot kärnan slås några neutroner ut från atomerna. De återstående fria neutronerna styrs sedan in i en högintensiv stråle som kan dirigeras till det material som ska undersökas. När neutronstrålen bombarderar provmaterialet sprids neutronerna åt en massa håll. Genom att mäta riktningen och hastigheten som neutronen har när den lämnar provet, kan man få en uppfattning om positionen, rörelsen och de magnetiska egenskaperna hos atomerna och molekylerna i provmaterialet.
Västra Järnvägsgatan 3
Box 1035, 101 38  Stockholm
Telefon: 08-546 44 000
Fax: 08-546 44 180
Org nr: 2021005208
Fakturaadress: FE 57, 833 83 Strömsund