Pappersbaserade detektorer

Det finns i princip tre anledningar till att man utvecklar utvecklar nya mätinstrument och -metoder. Den första, och sexigaste, är att man vill kunna mäta något som inte tidigare var möjligt. Den andra är att man vill kunna mäta något bättre än vad som tidigare var möjligt. Dessa två är det man i allmänhet förknippar med forskning och utveckling. Tänk partikeldetektorer, atomur eller cancerdiagnostik... Men den tredje anledningen, att kunna mäta något billigare än vad som tidigare var möjligt, är kanske den allra viktigaste för kommersialiseringen och spridningen av en metod. Inom företag ägnas mycket forskning åt den tredje anledningen, men inom akademin är det något som ses som mindre intressant.

Ett undantag från den bilden är George M. Whitesides, professor på Harward och en av kemins superstjärnor.* På senare år har Whitesides intresserat sig för papper, istället för kisel eller PDMS, som bas för detektorer. I en rad artiklar har hans grupp publicerat pappersbaserad ELISA, och electrokemiska detektorer. I en artikel som accepterats i Lab on a Chip presenterar man nu en piezoelektisk kraftsensor av papper. 

Pappersbaserad kraftsensor.

En piezoelektrisk sensor fungerar genom att en ledare ändrar resistans när den deformeras. Genom att tillverka ledaren av kolbaserat bläck stencilerat på papper kunde man tillverka en sensor som kan mäta krafter på upp till 16mN (motsvarande tyngden av en 0,16 grams vikt) med ca 1% precision. Har man väl tillgång till bläcket tillverkas sensorn på under en timme med hjälp av en målarkniv och en pappersskärare. Den totala materialkostnaden är ungefär 0,04US$. På samma sätt tillverkade de även en våg för vikter upp till 15 gram med en mätnoggrannhet på 0,4g.

Det papperslösa kontoret gör plats för det pappersbaserade labbet.

* Whitesides har publicerat drygt 1000 vetenskapliga artiklar, och har ett h-index runt 100. Han har startat ett dussin företag och har varit en ledande figur inom än mängd områden i modern kemi, spektroskopi och nanoteknologi, bl.a. var han en av de absoluta pionjärerna inom mikrofluidik. Hans labb har som mål att "fundamentalt förändra de vetenskapliga paradigmen". Och han lyckas ofta.

X. Liu, M. Mwangi, X.J. Li, M. O'Brien och G. M. Whitesides, Paper-based piezoresistive MEMS sensors, Lab Chip, in press, doi:10.1039/C1LC20161A.

När kollade du innehållsförteckningen senast?

Förra veckan sände Uppdrag granskning ett program om "nanoteknikens okända effekter på hälsan". Om detta kan man säga mycket (bland annat att man verkade använda nanoteknik=nanopartiklar vilket inte på något sätt är korrekt), och rätt många människor har uttryckt sin skepsis mot "nanopartiklar" i kosmetika efter detta program. Det får man förstås gärna vara tveksam till (och jag tycker att man ska ta människors "kemikalierädsla" på allvar, men jag tycker inte att man ska underblåsa densamma med tendentiösa och inte helt välunderbyggda reportage i media).

Hur som helst, reportaget och kommentarerna fick mig att fundera på om de som är rädda för nanopartiklarna känner sig helt bekväma med alla andra kosmetiska produkter de använder. Så nedan följer innehållsförteckningarna* från två produkter som fanns lättillgängliga i mitt eget badrum. Den första använder jag dagligen, den andra är ett varuprov som ännu är oöppnat. Någon som vågar sig på gissa vad det är för produkter?

Produkt 1: vatten, isopropylpalmitat, sorbitol, lanolin, glycerylstearat, cetylestrar, steareth-2 (en polyetylenglykoleter), PEG-100 stearat (PEG=polyetylenglykol), cerasin, trietanolamin, tocoferylacetatsteareth-20, carbomer, metylparaben, parfym, bensylbensoat, butylparaben, etylparaben, hydroxycitronellal, isobutylparaben, propylparaben, limonen, geraniol, linalool, citronellol, kanelalkohol, alfa-isometyljonon

Produkt 2: vatten, dietylhexylkarbonat, canola, glycerin, polyglycerol-3 metylglukosdistearat, cetearyl isononate, glycerylstearat, butyrospermum parkii, cetearylalkohol, hydrogenerad coco-glycerider, natrium hyaluronate, pantenol, hydroxyetylacrylat/natrium akryldimetyl taurat copolymer, squalane, tocoferylacetat, dimetikon, PEG-100 stearat, natriumcitrat, xanthangummi, allantoin, polysorbat 60, citronsyra, ceramid 3, ceramid 6II, ceramid 1, fytosfingosin, kolesterol, carbomer, natrium laurayl lactylat, metylsilanol mannuronat, betain, tocoferol, natriumlaktat, natrium pca, glycin, fruktos, urea, niacinamid, inositol, mjölksyra, natriumbensoat, metylparaben, natriummetylparaben, propylparaben, fenoxyetanol, sorbinsyra

*Jag har försökt översätta till svenska, men kan ha missat på något ställe. Jag vill också påpeka att en del namn är trivialnamn även om de låter "kemiska".

Kemikalender året runt

I och med att den officiella invigningen av internationella kemiåret går av stapeln idag så lanseras nu också en av de västsvenska satsningarna på detsamma.

Ett samarbete mellan Chalmers, Göteborgs Universitet, Universeum och Molecular Frontiers (i samarbete med filbolaget Untamed Science) presenterar den första av filmerna som kommer att produceras för det man valt att kalla "Kemikalendern". En ny film för varje månad, olika teman, som ska illustrera så väl kemins roll i vardagen, som en del av den forskning som pågår. Först ut är temat "konst och kultur" - inte helt otippat handlar det om färger. (Kemisten i filmen är för övrigt en kollega till mig.)

Ett år för ett ämne med imageproblem

2011 är av FN:s generalförsamling utsett till "International Year of Chemistry". (2009 var astronomins år och 2010 var det biodiversitet på schemat, för den som eventuellt undrade.) 2011 råkar också sammanfalla med "hundraårsjubileet" av Marie Curies nobelpris i kemi, som hon tilldelades för upptäckterna och studierna av grundämnena radium och polonium.

Ett antal mål har ställts upp för året, och lyder som följer

• Increase the public appreciation and understanding of chemistry in meeting world needs;
• Encourage the interest of young people in chemistry ;
• Generate enthusiasm for the creative future of chemistry ;
• Celebrate the role of women in chemistry or major historical events in chemistry, including the centenaries of Marie Curie’s Nobel Prize and the founding of the International Association of Chemical Societies.
  

Med tanke på att kemin i även i vanliga fall har vissa imageproblem (väldigt många människor är till exempel omotiverat rädda för "kemikalier" trots att de glatt klär sig i GoreTex och aldrig skulle drömma om att tvätta håret med enbart vatten - som i sig är ett ämne med minst sagt speciella kemiska egenskaper) och året har startat med en kemisk skandal - dioxinerna i tyskt djurfoder - så kan det behövas lite imageförbättrande åtgärder. Hurvida det kommer att lyckas återstår förstås att se.

Min egen ambition är i alla fall att få till några poster här om vad kemi egentligen är bra för, och varför vi ska vara glada att den moderna kemin finns. Ämnen som kan tänkas komma under behandling är bland annat Vatten och Mat, Material och Kläder, Energi och inte minst Läkemedel. Och så kanske det blir något inlägg om varför våra politiker borde veta lite mer om naturvetenskap i allmänhet. Då kanske vi skulle slippa populistiska, tillika idiotiska krav på kemikaliefria zoner, eller koldioxidfria samhällen.

Gott nytt kemiår på er!

Länkar:
UNESCO
Kemins år 2011
Ameican Chemical Society firar kemins år

Nobelpris för palladiumkatalyserade korskopplingar

Som kemist får man faktiskt lov att vara nöjd i år. Ett fysikpris som nästan lika gärna kunde ha varit ett kemipris, och ett kemipris som verkligen är "riktig" kemi.

Palladiumkatalyserad korskoppling alltså. Det är en syntesmetod man använder för att skapa kol-kolbindningar, vilket är oerhört viktigt för exempelvis läkemedelssyntes, men också för displayer och en hel del andra saker som många av oss använder nästan dagligen. Eller som en av kollegorna sa "Man kan inte kalla sig organkemist om man inte kört deras reaktioner". De tre pristagarna, Richard F. Heck (University of Delaware), Ei-ichi Negishi (Purdue University) och Akira Suzuki (universitetet i Sapporo) har nämligen var och en för sig utvecklat sina metoder och därmed också varsin reaktion uppkallad efter sig. (Trivia i sammanhanget är att synteskemisterna som jag samarbetade med under doktorandtuden fick göra en och annan Suzukikoppling för att jag skulle få mina molekyler.)

Man kan säga att årets nobelpris på många sätt är en vidareutveckling av 1912 års nobelpris i kemi, som gick till Victor Grignard för den så kallade Grignardreaktionen*. Där använder man det betydligt mer reaktiva ämnet magnesium i reaktionerna, och det gör risken stor att utbytet inte blir så stort som man önskar och också att man riskerar förstöra sina önskade reaktionsprodukter.

De palladiumkatalyserade korskopplingarna rapporterades redan på 1970-talet, och att de har varit oerhört viktiga för den organiska kemin har varit oomtvistat åtminstone sedan 1990-talet. Så varför vänta så länge med att ge dem priset? Svaret är sannolikt att man har varit tvungen att vänta lagom länge, så att de andra (tex Stille som är känd för sin tenn-baserade stillekoppling) och ett par andra som gjorde liknande, men inte riktigt lika generellt viktiga saker, helt enkelt skulle avlida så att man kom bort från problemet att för många skulle dela priset**.

KVA:s populärvetenskapliga sammanfattning är utmärkt, så jag rekommenderar den intresserade att klicka sig dit och läsa mer om priset.

*En Grignardreaktion innehåller alltid magnesium, men det måste inte vara en Grignardreaktion för att magnesium ingår i reaktionsblandningen.

**Nobelprisen kan nämligen delas av max tre personer.

Coca Cola-driven mobil

Satte morgonkaffet i halsen nyligen när jag för ett ögonblick trodde att vi blivit fet-scoopade av Nokia. Massor av artiklar dök upp på nätet på temat: Nokiamobil driven av Coca Cola. Vi jobbar just på biobränsleceller som skall kunna drivas av t.ex. socker som i Cola och andra söta drycker. Det vore inte så skoj om det redan fanns en fungerande protoyp för vad vi jobbar på, då skull vi kunna packa ihop och söka annat jobb.

Men även utan att veta något bränsleceller eller enzym kan man snabbt ana att något inte står rätt till. Alla artiklar använder samma bilder. Alla artiklar tar upp Coca-Cola trots att vilken sockerhaltig vätska som helst skulle fungera. Det visar sig snart att det hela är ett pr-stunt av den unga kinesiska designern Daizi Zheng. Först sökte jag - insnöad som jag är, på hennes namn i Google Scholar, jag kände inte igen namnet som någon biobränslecellforskare, men hon är alltså designer.

Men vad är det som gör att en sådan telefon inte finns på marknaden ännu? Principen för hur den skulle kunna fungera visas pedagogiskt i en bild från Daily Mail (nedan).

I en biobränslecell används enzym, istället för t.ex. platina som är vanligast i normala bränsleceller,  för oxidera sockret i "bränslet" vilket ger ett överskott av elektroner, ström. Ett annat enzym används för att reducera syre till vatten. Det räcker nämligen inte med att skapa elektroner, man måste även göra sig av med dem för att kunna utnyttja energin. Enzymen har många fördelar, som lägre aktiveringspänning och att det är förnybara, till skillnad från platina. Men det är även med enzymen man har bekymmer. De är inte särskilt stabila - om de kan fungera i ett par dagar till någon vecka har man ett bra enzym. Det är också svårt att få kontakt mellan dem och elektroderna - vilket är det jag forskar om. Så än så länge är det en snygg design av en produkt som inte fungerar.

För övrigt verkar vare sig Zheng eller Daily Mail veta så mycket om biobränsleceller. Mail har tagit sin bild från en modell av en normal bränslecell, där katalysatorn, platina, kan katalysera både bränsleoxidationen och syrereduktionen. Det gör det nödvändigt att separera anod- och katodhalvorna med ett membran, som i bilden. Enzym är mer specifika; de katalyserar bara en viss, eller ett litet fåtal, reaktioner. Man behöver alltså inte två separata avdelningar. En stor fördel med biobränsleceller. Zheng menar att de enda restprodukterna är vatten och syre. Det är inte sant. Det beror förvisso precis vilka enzym och reaktioner som används, men typiskt så oxideras druvsocker, glukos, till glukonolakton och syre konsumeras för att reduceras till vatten. Restprodukterna är alltså glukonolakton och vatten och troligen en del väteperoxid.

För övrigt funderar jag också, givet att alla andra problem var lösta, över det lämpliga i att använda Coca Cola som bränsle. Cola innehåller ju massor av annat gegg än bara vatten och socker, som är de eftersökta ämnena, som färgämnen, koffein och annat som kan inverka på funktionen hos bränslecellen. Sedan innehåller den en blandning av de två sockerarterna glukos och fruktos. Beroende på enzym skulle bara en av dem vara användbar åt gången om man inte konstruerar en mer avancerad cell med flera enzym. Fast den allvarligaste invändningen mot att använda Cola är att det är för surt. Coca Cola, och liknande drycker, innehåller citron- och fosforsyra för att reglera surhetsgraden som ligger så lågt som ett pH på 2,5. I så sura miljöer fungerar de flesta enzym för sockerkatalys väldigt dåligt. Det skulle effektivt ta död på telefonen att hälla Cola i bränsletanken.

Andra bloggar om: bränsleceller, biobränsle, grön energi, Nokia, Coca Cola, Daizi Zheng, vetenskap, forskning, design. Intressant?

tips om kemijulkalender

Eftersom det snart är första advent så jag tycker det passar bra att tipsa om en julkalender med mer naturvetenskapligt tema än TVs och radios. En student i Lund har gjort en kemijulkalender där man genom att klicka på en luckorna kommer till en film som visar kemiexperiment. Man kan inte börja öppna de riktiga luckorna förrän den dag de ska öppnas men som ett smakprov finns en lucka "0" som man kan öppna redan nu. På Lunds universitets hemsida finns mer information. Jag tycker detta är ett lysande initiativ och kommer att följa julkalendern under december och hoppas att fler gör det.

Vetenskap och murar

Intressant läsning i förra numret av Chemical and Engineering News: Om att försöka göra vettig forskning i totalitära samhällen. Chemistry behind the wall.

Föreläsningstips

För den vetenskapsintresserade som råkar ha lite tid (tex för att man är hemma och är sjuk) till övers kan följande rekommenderas:

Onlineföresläningar med massor av nobelpristagare. Allt på engelska förstås.

Blodidentifiering på brottsplatsen

Det är i alla fall i princip en möjlighet - i framtiden. I en artikel [1] i  Analytical Chemistry har två forskare lyckats använda Raman-spektroskopi för att bestämma från vilken av tre arter prover av torkat blod kommer. Det kanske inte låter så imponerande att kunna säga om blod kommer från en människa, katt eller hund, men det är en mätning som med andra brottplatsmetoder, som bygger på antikropp-antigen-analys, förbrukar en del av provet. Därtill kan de bara svara ja eller nej på frågan om det är mänskligt blod. För att bestämma art måste man göra analyser i ett labb. Raman, som bygger på att man skickar in laserljus mot sitt prov och tittar på vilka molekylvibrationer som sätts igång vilket syns i ljuset som reflekteras, är i princip en icke-destruktiv metod, även om det är möjligt att bränna sitt prov om man klämmer i med för hög lasereffekt. Det gör att även om man bara har mycket små mängder av blod kan man analysera det utan att förstöra provet för vidare analyser.

Ramanspektrumen från de olika blodproverna är mycket lika varandra, men med hjälp av statistisk analys av tre olika variabler kunde man med stor säkerhet säga om ett prov kom från en människa, katt eller hund. Vidare menar forskarna att de bara tittade på en del av möjliga signaturer i blodet.

“If you have a sensitive enough instrument, you could categorize blood based on composition,” says Almirall [an expert in analytical forensic techniques from Florida International University]. “Man or woman: there may be a signal in there associated with hormones. Smoker or nonsmoker: nicotine signals may be in there. [2]

För den här artikeln använde forskarna en avancerad Ramanspektrometer som definitivt inte är portabel, men handhållna instrument finns, även om upplösningen ännu är alltför låg för att fungera för blodanalys. Forskarna skall nu gå vidare med att analysera prover från donatorer för att se vilka parametrar som går att utläsa. Om det går som de önskar kanske verklighetens CSI i framtiden kan läsa av en blodfläck redan på brottsplatsen och tala om att den kommer från en vit kedjerökande man i medelåldern... and that's not the victim...

Artiklar (bakom betalvägg).
1. Virkler, K.; Lednev, I. K., Blood Species Identification for Forensic Purposes Using Raman Spectroscopy Combined with Advanced Statistical Analysis. Anal. Chem. 2009, 81, 7773-7777.
2. Gebel, E., Species in a snap: Raman analysis of blood. Anal. Chem. 2009, 81, 7862.


Andra bloggar om: kriminalteknik, vetenskap, kemi, CSI, spektroskopi.

Årets kemipris...

...var som så många gånger förr snarare ett biologipris än ett kemipris, om än för viktiga och spännande upptäckter. Nämligen ribosomers struktur och funktion.Ribosomer finns i cellerna hos alla levande varelser, och deras uppgift är att läsa av genetisk information och styra produktionen av proteiner.

Pristagarna belönas för att de lyckats fastställa hur ribosomer ser ut på atomnivå, med tekniker som röntgenkristallografi och elektronmikroskopi, för att såsmåningom producera tredimensionella bilder av ribosomerna på atomnivå.

Det här är en grundläggande biologisk upptäckt, som på sikt kan vara en del av den kunskap vi behöver för att komma tillrätta med problemet med multiresistenta bakterier. Och det är stora vetenskapliga framsteg som ligger bakom årets pris. Men det är tveksamt om det verkligen är är att klassificera som kemi. Å andra sidan kan ju en fysikalisk kemist glädja sig åt årets pris i fysik.

Molekyler i fokus

I veckans Science¹, liksom på BBC och andra nyhetskanaler har man kunnat se den här spektakulära bilden på en molekyl, pentacen, avbildad med hjälp av ett atomkraftsmikroskop (AFM).

När jag först såg bilden trodde jag det var resultatet av en simulering eller liknande, men det är istället resultatet av massor av tålamod och hårt arbete. Och visst är det en jäkligt snygg bild‼!

För den som inte själv gjort AFM-mätningar är det kanske svårt att uppskatta jobbet som ligger bakom. En idé kan man få om man läser extramaterialet som finns online. Där beskriver de bland annat hur de tillverkar sina AFM-prober genom att plocka upp guldatomer, en och en, tills de har en bra, symmetrisk prob. I artikeln visar de också att ytbeläggningen på proben spelar stor roll för avbildningsförmågan. Även den beläggningen plockas upp atom för atom eller molekyl för molekyl.

I artikeln visar Gross et al. att man med ett AFM kan studera en molekyls struktur och laddningdensitet och kanske till och med bindningstal och -längder . I det här fallet har man valt en plan molekyl som ligger snällt still på ytan. Det skall bli intressant att se om de går vidare till mer avancerade strukturer. Författarna spekulerar i slutet av artikeln att man kanske kan använda tekniken till att studera reaktiviteten hos specifika positioner hos en molekyl eller att studera transport av enskilda elektroner genom molekylen.

Den här tekniken är dock långt ifrån att bli någon standardteknik inom den närmsta tiden. Det kräver inte bara ett AFM som arbetar i ultrahögt vacuum och temperaturer på 5K utan författarnas AFM är dessutom mekaniskt oerhört stabilt. De nämner siffror på att det driver mindre än 1 Å/timma (We observed (and compensated) vertical drift of less than 0.2 Å/h and lateral drift of less than 1.0 Å/h.), där en Ångström är ca diametern hos en väteatom. Med hjälp av samma instrument visade författarna i juli, också i Science², att de kan mäta laddningen på en enskild atom adsorberad på en yta. Men, förutom att det är spännande grundforskning, så är det även utvecklandet av instrumentet som är viktigt. Liksom utveckling inom Formel 1 till slut hamnar i först Mercedesen och sedan Fiaten på gatan så kan det här nog leda till intressant utveckling hos andra, mindre specialiserade (och superdyra), AFM.

För övrigt kan man nämna att IBMs labb i Rüschlikon utanför Zürich, där arbetet utförts, är det labb där sveptunnelmikroskopet uppfanns av Binnig och Rohrer, vilket gav Nobelpris i fysik 1986. Året därefter var det dags igen; Bednorz och Müller hade upptäckt högtemperatursupraledarna och labbet i Rüschlikon fick sitt andra Nobelpris i rad. Det är alltså ett absolut världsledande labb vi talar om. Därtill ett av de få ledande grundforskningslabben inom företagsvärlden, särskilt efter det legendariska Bell Labs (sex Nobelpris!) slagit igen den verksamheten.


¹ L. Gross, F. Mohn, N. Moll, et al., The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy. Science 325, 1110-5 (2009).
² L. Gross, F. Mohn, P. Liljeroth, et al., Measuring the Charge State of an Adatom with Noncontact Atomic Force Microscopy. Science 324, 1428-32 (2009).

 Andra bloggar om: fysik, nanovetenskap, AFM, vetenskap.

Mindre kemi

En av de allra starkaste trenderna inom tillämpad kemi och fysik de senaste åren har varit inriktningen mot så kallad Lab-on-a-Chip-analys (LOC). Det innebär att man försöker tränga ihop så mycket analys som möjligt på ett chip kanske ett par kvadratcentimeter istället för att den utförs i ett dedikerat lab. Det har naturligtvis många fördelar; analysen kan utföras i fält, vilket kan vara livsavgörande när det handlar om medicinska undersökningar; utrustningen är billig och kan kastas efter användning, vilket minskar infektions- och kontamineringsrisker; man behöver små mängder av analyten, något som bl.a. spruträdda säkert uppskattar. Naturligtvis finns även nackdelar, främst att de små mängderna gör analys svårare och minska signal-brusförhållandet.

Det som gjort utvecklingen möjlig är naturligtvis mikroteknologins framsteg de senaste årtiondena och framförallt litografiska metoder som gör det möjligt att enkelt framställa små mönster i t.ex. plast- och epoxymaterial. För LOC bygger på mikrofluidik där man kan hantera mycket små vätskemängder, ofta i storleksordningen nano- till pikoliter (en droppe med diametern 1 mm har volymen 500 nl). Hur man förflyttar så små volymer på ett reproducerbart vis är ett forskningsområde i sig. Just nu jobbar jag på ett projekt där man flyttar droppar med elektriskt fält (EWOD). Men de små mängderna analyt ställer också krav på utveckling av analysmetoder. Utveckling av listiga metoder för att mäta små mängder av ett ämne sysselsätter en stor mängd forskare. Det kan synas t.ex. genom att tidskriften Lab on a Chip har på bara några år seglat upp som en högt citerad tidskrift (IF ~6).

Poängen med den posten var egentligen att peka på ett område inom forskningen som sysselsätter mycket forskare inom många olika discipliner, men som får ganska lite uppmärksamhet utanför forskningskretsen. Kanske beror det på apparaterna, när de fungerar, är ganska osynliga och sällan gör något väsen av sig. Tricorden ligger väl ännu långt in i framtiden, men små, snabba analyskit är definitivt en växande bransch.

Andra bloggar om vetenskap, Lab on a chip, kemi.

Kolnanorör för katalys

Kolnanorör har i många år sett som mirakelmaterialet som är superstarkt, med fantastiska elektriska egenskaper, och som skall leda till såväl rymdhissar som snabbare elektronik. Men nanorören har haft lite svårt att leva upp till hypen. Nåväl, i veckans Science¹ publicerades en artikel som visar på en ny möjlighet - som katalysatorer i bränsleceller.

I en bränslecell omvandlas ett bränsle (vätgas, glykol, metanol o.s.v.) till elektricitet i en kemisk reaktion. Eller egentligen två; en bränslecell har två avdelningar. På anodsidan oxideras bränslet, vilket innebär att det avger en eller flera elektroner. Dessa transporteras som användbar elektrisk ström till katodsidan där syre reduceras, dvs tar upp elektroner. För att öka effektiviteten i de annars långsamma reaktionerna använder man katalysatorer i katoden oftast baserade på ädelmetallen platina.

I den aktuella artikeln har man lyckats visa att kväve-dopade kolnanorör kan vara en mer effektiv katalysator för syrereduktion än vad platina är. Nanorör har länge använts i elektroder (jag forskar själv inom det området), mycket för att de ökar den effektiva arean, men man har även vetat att de har viss katalytisk effekt. Det nya är att kvävedopningen verkar öka effekten dramatiskt. Därtill är nanorörskatoden mer stabil över tid än platina-kol-katoden och okänslig för CO-förgiftning, något som är ett stort problem i praktisk användning av metanolbränsleceller.

Om man nu kan lyckas ta steget från mikroskopiska kvantiteter i labbet till storskalig användning skulle det kunna bli en lyckosam tillämpning av nanorör. Till skillnad från platina är nanorör en förnybar resurs och priset sjunker stadigt i och med att mer och mer tillverkning dras igång. Vi får se om nanorören äntligen lever upp till förväntningarna...

Läs även mer i New Scientist.

Ref:
¹ K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, och L. Dai, Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electrocatalytic Activity for Oxygen Reduction, Science 323, 760-764. (abstract)

Andra bloggar om vetenskap, kolnanorör, bränsleceller, katalys.

Kemiska ämnen

I denna tid av debatt kring vad som är "naturligt" och vad som är konstgjorda tillsatser kan det ju vara lämpligt att fundera över vad det är för språk vi använder. När en SVD-blogg skriver om att en livsmedelskedja rensar ut "kemiska tillsatser" undrar man ju vad som egentligen blir kvar. Bara naturliga saker... som cyanid, curare och nikotin...? Det är ju långt ifrån alla naturliga ämnen som är nyttiga, och lika långt ifrån alla "konstgjorda" ämnen som är onyttiga.

Många av våra läkemedel är helt konstgjorda på det att de aldrig tillverkats utanför ett kemilab, samtidigt är, som vi ser ovan, många av de mest potenta gifterna helt naturliga. Men alla är de "kemiska". En som tröttnat på skrämselpropagandan om "kemikalier" är Neville Reed, ordförande för Royal Society of Chemistry. Droppen blev när Storbritanniens Advertising Standards Authority godkände en reklamfilm för Miracle Gro, en form av organisk kompost som utlovades vara "100% fri från kemikalier" Det är, menar RCS, något håller liv i myten att organiska och naturliga produkter inte skulle innehålla kemikalier.

Neville Reed har därför utlyst ett pris på 1 miljon pund till den som kan visa fram ett material "100% fritt från kemikalier".

Andra bloggar om: Kemi, tillsatser. Intressant?

Att göra det osynliga synligt - årets kemipris

Vi diskuterade potentiella nobelprisvinnare i kemi över lunchen i tisdags. Diskussionen avslutades med att vi enades om att vi hoppades att det skulle vara ett "riktigt" kemipris, och inte något som lika gärna kunde ha belönats med medicin/fysiologipriset, eller något som egentligen är mer biologi än kemi. Våra gissningar och förhoppningar slog förstås (och som vanligt) fel...

Hur som helst, årets nobelpris i kemi belönar upptäckten (Shimomura), applikationerna (Chalfie) och vidareutvecklingen (Tsiens) av grönt fluorescerande protein, GFP.

Sammanfattningsvis kan man säga att årets kemipris handlar om att göra annars osynliga biologiska/fysiologiska processer synliga. Med genteknikens hjälp kan GFP sättas in i gener i levande celler, och genom smart design av de här systemen kan fluorescensen slås på eller av, givet en viss händelse eller process i cellen, och på så sätt kan man följa annars "osynliga" biologiska processer. Ett exempel på ett viktigt användningsområden är möjligheten att faktiskt titta på hur cancerceller beter sig i levande vävnad.

Genom utvecklingen av andra, liknande proteiner som fluorescerar vid andra våglängder har man också kunnat konstruera mer komplicerade system, för att kunna följa flera olika steg i ett händelseförlopp. Det bästa exemplet på detta är antagligen de genmodfierade möss som några Harvardforskare rapporterade i Nature förra året. Kombinationen av proteiner som fluorescerar gult, blått och rött ljus ledde till att forskarna kunde följa enskilda nervtrådar i mössens hjärnor. Experimentet döptes förstås till "brainbow".

Det råder inget tvivel om att GFP-upptäckten och dess applikationer är en stor vetenskaplig händelse, som har betytt mycket för medicinsk, biologisk och biokemisk forskning. Men så där väldigt mycket kemi ligger det inte bakom det här priset.

Shimomura upptäckte GFP när han studerade självlysande maneter under 1960-talet. Självlysande maneter är ju nu inte någon typisk kemi, men att studera GFP:s fotofysiska egenskaper är däremot kemiskt så att det förslår (även om det heter fotofysik), och det gjorde Shimomura. Det bör dock tilläggas att om allt stannat vid maneter och GFP:s fluorescens så hade det knappast renderat ett nobelpris.

Men, slumpen ledde till att rundmaskforskaren Chalfie får höra talas om det "självlysande"* proteinet dryga 20 åre senare, och han fick idén att inkorporera GFP i den genomskinliga rundmaskens gener så att han skulle han kunna följa biologiska/fysilogiska/biokemiska processer i masken, genom att lysa på den med UV-ljus. Efter ett drygt decennium av forskning som mest var av molekylärbiologisk och genteknisk karaktär publicerades de första resultaten i Science 1994. Och proteiner är visserligen (stora) molekyler, men man får nog säga att det är relativt ovanligt för kemister att studera rundmaskar på arbetstid...

Nå, hur kul är det med bara grönt ljus? Inte kul alls tyckte Tsiens, och för den delen också flera andra forskargruppper. Så, den självklara fortsättningen var förstås att, genom att studera GFP och framför allt kromoforen (den delen av molekylen som faktiskt får det att lysa grönt) förstå hur man skulle kunna designa andra proteiner, med andra färger. Och allt detta arbete ledde så småningom till publikationer som den om mössens "brainbow". Tsiens är väl också den som är mest kemist av årets kemipristagare, och som faktiskt arbetar på en institution som har ordet kemi med i namnet.

Pristagarna är väl värda att uppmärksammas för sina resultat, därom tror jag inte att det råder några tvivel. Men som det verkligen är ett kemipris kan nog debatteras...

*Det är naturligtvis felaktigt att prata om GFP som "självlysande", eftersom det inte lyser innan det har exciterats med UV- eller blått ljus.

Mirakelbil

Jag har inte sett något om den i svensk press, men Reuters har släppt en video om hur ett japanskt företag som heter Genepax skall ha presenterat en bil som "drivs av enbart vatten".
Företaget menar att man med hjälp av en "membrane electrode assembly" kan dela upp vatten i syre och väte med hjälp av en "välkänd kemisk reaktion". Vätet nyttjas i en bränslecell för att ge den energi som driver bilen. De enda avgaserna sägs vara vatten.

Men vänta lite nu. Alla med minsta kunskap om kemi eller fysik vet att om man delar upp en molekyl och sedan låter produkterna åter reagera så ger den reaktionen maximalt lika mycket energi som det kostade att bryta isär molekylen. Allt annat skulle strida mot termodynamikens första huvudsats, och man skulle i princip skapat en evighetsmaskin. Förutsägbart nog så är Genepax sidor om själva energiprincipen under konstruktion. På den japanska sidan finns lite info, bl.a. bilden nedan som någon kanske kan förklara.

På wikipedia diskuteras huruvida vätet bildas med hjälp av någon metallhydridprocess, eller liknande, men då skulle det vara detta som i så fall är bränslet som skulle behöva fyllas på eftersom metallhydriden förbrukas i processen. Det skulle också motsäga Genepax påstående att vatten är enda restprodukten.


Jag tror att det är en form av grovt felaktig marknadsföring som uppenbarligen Reuters föll för utan att blinka.

Andra bloggar om: bränsleceller, evighetsmaskin, fysik, vetenskap, elbilar.

Superkondensatorer

Tillbaka från BEC-5 har jag fått en gäng nya uppslag för lagerbladstexter. Den första handlar om superkondensatorer, eller elektriska dubbelskiktskondensatorer (EDLC) som är ett område där Universitetet i Tartu varit ledande. I en normal kondensator lagras energi i två metallytor (elektroder) separerade av ett isolerande skikt. När en spänning läggs på mellan skikten byggs en laddning upp på vardera ytan, positiv på ena och negativ på andra. Laddningen kan lagras och sedan laddas ur om kondensatorn kopplas in i en krets. Kapacitansen C=εA/d, där ε är mellanskiktets permittivitet, A är plattornas area och d avståndet mellan dem. Vi ser att man kan öka kapacitansen genom att öka area och minska avståndet mellan plattorna. Den lagrade energin är proportionell mot kapacitansen, som i typiska kondensatorer mäts i piko- till mikrofarad.

Om man fyller mellanrummet mellan elektroderna med en elektrolyt (en vätska med fria laddningar, t.ex. saltvatten) kommer negativa laddningar att attraheras till den positiva plattan och vice versa. Vid varje elektrod byggs en laddning upp tills den attraherade laddningen balanserar den på elektroden. Detta kallas det elektriska dubbelskiktet. Mellan elektrodernas dubbelskikt är laddningstätheten noll. Det fina är att dubbelskiktet är tunt; endast någon nanometer. Dvs ett riktigt lågt d i kapacitansekvationen. Detta är principen för elektrolytkondensatorer.

I en superkondensator går man ett steg längre och använder elektroder av något poröst material, oftast av kol som dessutom har låg vikt. I vissa speciella kolmaterial kan man få elektroder med extremt stor yta, uppemot 2000 m² per gram. Genom att därtill välja lämplig elektrolyt med goda egenskaper kan man nå kapacitanser på kilofarad, dvs tio storleksordningar högre än normala kondensatorer. Superkondensatorerna är därmed en konkurrent till batterier när det gäller strömförsörjning. Kondensatorerna har flera viktiga teknologiska fördelar över batterier. De är snabba; en kondensator kan snabbt ladda ur en stor laddning vilket gör att man kan nå höga effekter. Effekten per vikt är långt högre än ens de bästa batterierna. Kondensatorer har dessutom lång livslängd; en EDLC klara uppemot en miljon laddningscykler, jämfört med några tusen för batterier. Än så länge har kondensatorerna lägre energitäthet än batterier, men gapet minskar.

Här kommer Yury Gogotsi från Drexler University i Philadelphia in. Hans grupp har utvecklat en metod att skapa porösa kolelektroder där porstorleken kan kontrolleras med subångströmprecision. I ett papper i Science 2006 [1] och nyligen i Angewandte Chemie [2] visade gruppen att med precist utformade porstorlekar kan man dramatiskt öka kapacitansen. Man har nått värden på 170 F/g. Ur detta har dessutom kommit ett företag, Y-carbon, som skall kommersialisera idén. Gruppen har en även reviewartikel på gång i Nature Materials under sommaren.

Superkondensatorerna börjar nu alltså ta in på batteriernas energiförsprång och bli en konkurrent inom även energikrävande applikationer som fordonsteknik. De är dessutom ideala som komplement till de energieffektiva men ganska långsamma bränslecellerna. Samtidigt är det för tidigt att räkna ut batteritekniken. Även där sker utveckling, och många av principerna för batterier och EDLC är liknande så mycket av forsningen inom EDLC kan också appliceras både inom batteri- och bränslecellsteknik.

[1] J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi et al., "Anomalous Increase in Carbon Capacitance at Pore Sizes Less Than 1 Nanometer," Science 313, 1760-1763 (2006).
[2] J. Chmiola, C. Largeot, P.-L. Taberna et al., "Desolvation of Ions in Subnanometer Pores and Its Effect on Capacitance and Double-Layer Theory," Angew. Chem. Int. Ed. 47, 3392-3395 (2008).

En glittrande framtid?

För tre år sedan skrev jag i inledningen till min licentiatsavhandling att

[Carbon] in the form of hydrocarbon polymers [...] bears great economic value and can maybe be said to define our plastic and petroleum age. Before long carbon might even come to replace silicon as our element of choice for electronic components

Då refererade jag till en artikel i Nature [1] och nyligen i Science finns ytterligare en artikel på temat [2]. Här konstateras att trots att konstgjorda diamanter tillverkats sedan länge har det ofta upprepade löftet om dimanter i elektroniken inte uppfyllts.

Bakom problemen ligger till stor del faktorer i tillverkningsprocessen. Diamantfilmer av hög kvalitet tillverkas med hjälp av kemisk gasdepostion (CVD) genom att en blandning av väte och metan aktiveras av ett plasma eller ett varmt filment vilket leder till att en kolfilm deponeras på en varm provyta. Om ytan är över 700 °C bildas en diamantfilm istället för en film av amorft kol. Kuriöst kan tilläggas att kolnanorör kan tillverkas på exakt samma sätt, fast med en katalysator, oftast järn eller nickel, närvarande.

Liksom i fallet nanorör är den höga temperaturen ett problem som starkt begränsar vilka substrat som kan användas. Ett annat bekymmer är att diamantfilmen växer långsamt och därmed blir väldigt dyr. Därtill är det svårt att skapa filmer av tillräckligt uniform kvalitet över stora ytor, något som behövs nu när industrin gör sig redo att börja använda sig av 20-tums-kiselwafrar för kretstillverkning. Men visst hopp finns. Nya resultat visar att det är möjligt att dopa ytan av diamantfilmer med t.ex. aminer som kan binda till specifika DNA-bitar eller proteiner. Mycket arbete sker för utveckling av dylika biosensorer. Ett annat exempel är att utnyttja diamants extremt goda värmeledningsförmåga till att skapa en sandwichstruktur där en diamantfilm under en tunn kiselfilm, på vilken kretsar kan tillverkas med befintliga metoder, hjälper till att leda bort värme från elektroniska komponenter. Något som kan hjälpa till att överkomma den så kallade värmebarriären. Om vissa teknologiska hinder kan klaras ut så räknar man med diamant i processorerna inom 5-10 år.

Så, kanske har diamanter en glittrande framtid men många hinder finns på vägen och man kanske skall vara försiktigt i sitt utropande av det nya mirakelmaterialet. Vi har sett alltför ofta alltför optimistiska förutsägelser.

[1] Lee, S. T. and Lifshitz, Y., “The road to diamond wafers,” Nature 424, 2003, 500–501.
[2] May, P. W., “The New Diamond Age?” Science 319, 2008, 1490-1491.

Billigare plast?

Hört talas om polyeten? Om inte så kan jag ändå garantera att det är något som du kommer i kontakt med nästan varenda dag, eftersom det är en av våra allra vanligaste plaster. (Finns i flaskor, burkar, plastpåsar etc.) Eten, som är grundbulten i polymeren polyeten, är också en de organiska ämnen som produceras i störst mängd i världen, och som har mängder av andra användningsområden än plast, tex som smärtstillande medel. Att kunna framställa eten kostnadseffektivt och miljövänligt är alltså rätt viktigt. Nu har forskare vid Argonne National Laboratory lyckats åstadkomma en metod att producera eten på ett mer energieffektivt och mer miljövänligt sätt.

Det hela är ganska elegant. Genom att låta en ström av etangas passera genom ett membran som tar bort väte och alltså producerar eten, enligt reaktionsformeln:

C2H6 <--> C2H4 + H2

Den nya metoden ger inte upphov till några växthusgaser, vilket är en klar fördel jämfört med den pyrolysmetoden som traditionellt används för att producera eten. Ännu bättre blir det av att det väte som membranet plockar bort kan användas för att framställa energi, så att processen, när den väl är igång, i princip kan driva sig själv.

En annan, kemisk finess, med reaktionen är att eftersom membranet hela tiden tar bort väteatomer så drivs jämvikten mot produktion av mer eten (högersidan av reaktionsformeln). Forskaren som haft ansvaret för studien kommenterar detta faktum så här: "The membrane reactor thinks: ‘Hey, I haven't reached equilibrium yet, let me take this reaction forward.' ” Fritt översatt: "Membranreaktorn tänker: 'Stopp där, jag har ju inte nått jämvikt än, låt mig fortsätta den här reaktionen ett tag till' "

Det där är förstås ett missriktat försök att göra det hela lite mer lättbegripligt för den som inte har någon kemisk bakgrundskunskap. Men likväl är det fel. Membranreaktorer tänker inte och kemiska reaktioner har inte någon egen vilja. De styrs av termodynamik och kinetik.

Trots detta lite märkliga uttalande är det ett intressant resultat som kan bli betydelsefullt om det kan kommersialiseras. Kanske kommer det att ge oss både billigare och miljövänligare plast i framtiden?