Implantat och kvantmekanik i ny forskningssatsning

Martin Andersson, Henrik Johansson och Janine Splettstößer är tre av de sammanlagt 33 nya forskare som utnämnts till programmet som lanserades förra året. Henrik Johansson finns i dag på Cern i Schweiz, men kommer i och med utnämningen att flytta till Chalmers. Detsamma gäller professor Janine Splettstößer, som i dag finns på RWTH Aachen University i Tyskland. Martin Andersson forskar redan vid Chalmers.

Efter den första femårsperiodens anslag kommer de utvalda forskarna att kunna söka stöd till ytterligare fem års finansiering. Wallenberg Academy Fellows är därmed Knut och Alice Wallenbergs Stiftelses största satsning någonsin och är tänkt att omfatta upp till 125 unga forskare under perioden 2012 till 2016.

Läs mer om 2013 års samtliga mottagare av Wallenberg Academy Fellows

Implantat ska bli mer långlivade
När en höftled är utsliten kan den ersättas med ett implantat som ger människor möjlighet att fortsätta leva ett rörligt liv. Problemet är att implantaten alltför sällan håller livet ut. Martin Andersson ska ta fram ett syntetiskt benmaterial som bättre integreras i kroppen och blir till en del av skelettet.

Livslängden på ett implantat bestäms i mångt och mycket av hur väl det har vuxit fast i skelettet. Ett av tio tandimplantat har fallerat inom loppet av tio år. Ett höft- eller ett knäimplantat håller generellt i cirka 5-15 år. För att få fram bättre implantat, utvecklar Martin Andersson, docent vid Chalmers tekniska högskola, syntetiskt ben som ska bli lika starkt och hållfast som naturligt ben. 

Naturligt ben består av partiklar av hårt kalciumfosfat, som ligger inbäddade i en stomme av mjuka och stötdämpande proteiner. Kombinationen av material är viktig för styrkan, men det spelar också roll hur kalciumfosfatets atomer är strukturerade och hur partiklarna ligger ordnade i förhållande till varandra.

Martin Andersson har tagit fram en process där han kan styra formationen av kalciumfosfatpartiklar, så att de liknar de naturliga. Med hjälp av fettmolekyler (lipider) och proteiner kommer han, som Wallenberg Academy Fellow, att bygga en flexibel stomme som kalciumfosfatpartiklarna kan bildas och bäddas in i. Kroppen förnyar skelettet hela tiden. Förhoppningen är att kroppen ska uppfatta det syntetiska benet som helt naturligt och så småningom ersätta det med riktig levande vävnad.

Planeter och kvarkar ska mötas i teorin
Idag krockar två av fysikens stora teoribyggen med varandra: den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken. På grund av detta har forskare svårt att beskriva den fysik som utspelar sig vid mycket höga energiskalor, till exempel Big Bang. Henrik Johansson har som mål att utveckla nya matematiska beskrivningar som kan få de två teorierna att smälta samman.

Den allmänna relativitetsteorin är Einsteins beskrivning av gravitationskraften. Men hjälp av den kan forskare räkna på allt från planetbanor till hur ett äpple faller från sitt träd. När de däremot dyker in i atomernas lilla värld sätts Einsteins teorier ur spel. För att förstå mindre partiklar, som atomer, protoner, kvarkar eller gluoner, använder forskare sig av kvantmekanikens lagar.
Både relativitetsteorin och kvantmekaniken fungerar väldigt bra när de används på rätt längd- och energiskalor. Men för att till exempel kunna beskriva vad som hände när vårt universum skapades i Big Bang krävs båda teorierna och idag krockar de med varandra. 

Henrik Johansson, postdok vid CERN-laboratoriet, Genève, Schweiz, har som mål att förbättra den matematiska beskrivningen av gravitationsteorin så att den fungerar även på mindre längdskalor. År 2008 hittade han tillsammans med sina kollegor en ny sida hos vissa kraftbärande elementarpartiklar som kallas gluoner, vilket hjälpte dem att matematiskt konstruera gravitoner, partiklar som bär fram gravitationskraften. Som Wallenberg Academy Fellow kommer Henrik Johansson att fortsätta utveckla de matematiska teorierna, så att de bättre kan beskriva naturens mest grundläggande krafter. Han kommer att vara verksam vid Chalmers.

Hon vill ta kontroll över enstaka elektroner
Vi har vant oss vid att våra smarta elektroniska apparater snabbt blir allt kraftfullare. Om datortekniken ska kunna fortsätta att utvecklas i samma takt krävs att forskare lär sig tämja de kvantmekaniska krafterna. Janine Splettstößers mål är att kontrollera enstaka elektroner så att de kan fungera som informationsbärare i framtidens datorer och annan elektronik.
Den snabba utvecklingen inom elektroniken har hittills byggt på att forskare har lyckats krympa alla datorkomponenter. Antalet transistorer i våra smarta apparater har fördubblats vartannat år. Idag innehåller en mikroprocessor närmare en miljard transistorer.

Nu närmar sig dock tekniken en gräns där det är svårt att göra den mindre. Dagens transistorer bygger på elektriska strömmar, men snart kommer elektroniken istället att baseras på kontrollen av några få elektroner. I denna förkrympta värld sätts de fysikaliska lagar vi är vana vid ur spel. Istället tar de så kallade kvantmekaniska krafterna över.

Janine Splettstößer, professor i teoretisk fysik vid vid Institute for Theory of Statistical Physics, RWTH Aachen University i Tyskland, har som mål att kunna styra över elektroners kvantmekaniska egenskaper i tid och rum. Hon ska utforska framtidens elektronik där enstaka elektroner kan bära fram information. Som Wallenberg Academy Fellow kommer Janine Splettstößer att flytta till Chalmers, där det finns ett toppmodernt renrum för konstruktion av framtidens elektronik, vilket ger henne möjlighet att samarbeta med de främsta forskarna inom området.