Uppsalaforskare i Nature:Ny öppning i jakten på superhårda material

Hård som diamant. Den oslipade diamanten hade redan för flera tusen år
sedan ett högt symbolvärde för mod och styrka. I sen tid, 1900-talets andra
hälft, ledde behovet av hårda material för skärande verktyg till utveckling
och produktion av syntetiska diamanter. Diamant är alltjämt det hårdaste
mineral man känner, men har den olägenheten att det oxideras och omvandlas
med stigande temperatur. Dagens materialforskning söker därför utveckla nya
material som, som förutom stabil hårdhet under skiftande temperatur och
tryck, också har andra egenskaper som god värmeledningsförmåga eller
särskilda optiska egenskaper.
Egenskapen hårdhet måste sökas på atomär nivå och är
beroende av både atomernas inbördes läge och deras bindningsstyrka. Den
hittillsvarande forskningen om så kallade superhårda material har varit
inriktad på atomstrukturer som liknar diamantens – en tät struktur av små
atomer – exempelvis olika borföreningar.
Uppsalaforskarna har valt en helt annan väg och utforskat
föreningar som består av hårt packade stora atomer. Dessutom har man
inriktat sig på oxider, som alltså inte omvandlas genom oxidation vid
upphettning. För tre år sedan presenterades de första resultaten om
kiseldioxid i en artikel i Nature. Nu visar forskarna vid Uppsala
universitet, Leonid Dubrovinsky, Rajeev Ahuja, Natalia Dubrovinskaia, Bengt
Holm och Börje Johansson, att titandioxid av cotunnit-typ – en struktur
liknande blyklorid – har en hårdhet i närheten av diamantens och är stabil
vid ett tryck som motsvarar 1800 kilometers djup mot jordens centrum. Om
titandioxiden hålls starkt nedkyld med flytande kväve, kan den nya
strukturen bibehållas även när trycket tas bort. Kruxet är att den nya
strukturen med de hårda egenskaperna försvinner när kylningen tas bort.
Bortsett från kylningsproblemet öppnar dessa egenskaper mycket intressanta
perspektiv för materialforskningen – och i förlängningen för den
industriella tillämpningen. Förutom hårdheten har titanoxiden också ett
högt refraktionsindex, vilket innebär intressanta optiska egenskaper.
De nya resultaten har växt fram genom en växeldragning i
forskningsarbetet mellan experimentellt inriktade geokemister vid
Geocentrum och teoretiska fysiker vid avdelningen för den kondenserade
materiens teori vid Ångströmlaboratoriet.
– Redan från start för sju år sedan var det fråga om fråga
om ett samarbete, där experimentella resultat krävde teoretisk uttolkning,
förklarar Rajeev Ahuja vid Ångströmlaboratoriet, och där sedan de
teoretiska beräkningarna i nästa steg väglett nya experiment.
– Det är det stora universitetets fördel att det på samma
plats finns både den teoretiska och experimentella kompetensen, framhåller
Leonid Dubrovinsky.
Den experimentella delen av samarbetet har genomförts med
utrustning som till stora delar utvecklats vid Geocentrum. Resultaten har
sedan säkerställts genom experiment vid ESRF-synkrotronen i Grenoble. Den
nya väg, som Uppsalaforskarna hittills är tämligen ensamma om, leder till
att försöka syntetisera även andra oxider och att lösa problemet med att
bibehålla den nya gynnsamma strukturen utan att behöva kyla materialet.
– Hittills har vi kunnat framställa ytterst små mängder av
dessa oxider, påpekar Natalia Dubrovinskaia, och att skala upp produktionen
är också en teoretisk fråga. Vi måste bland annat få en teoretisk
förståelse för i vilka mängder ämnen ska förenas för att nå önskat resultat.

För ytterligare information, kontakta Börje Johansson, telefon 070-417 54
52 eller e-post Borje.Johansson@fysik.uu.se