"Nano" till allmän nytta?

Det är ganska inne att göra saker som är "nano" nu, i forskarvärlden. Det är saker som nanopartiklar, kolnanorör, nanowires, nanoelektronik och en hel massa annat. Det är helt enkelt något av ett modeord, precis som allting skulle vara "bio" för några år sedan. (Och kombinationen "nano" och "bio" är fortfarande rätt stor. Och mer än en forskare har funderat på hur de ska få in ordet nano i sina ansökningar, för att öka chanserna att få anslag). Och även om mycket är mode och inte all forskning som plötsligt kallas "nano" är ny, så finns det många fascinerande forskningsområden inom nanovetenskapen.

Ett exempel är den kemiforskning som sker på Harvarduniversitetet. Charles M. Lieber och hans forskargrupp har bland annat ägnat sig åt sk nanosensorer, som kan uptäcka en enda bakterie eller ett enda virus. Typisk sådan forksning som Department of Homeland Security gillar, eftersom den har tydliga antiterror-tillämpningar.

Det senaste från Lieber och co har dock med elektronik, och solenergiomvandling, att göra. Genom att kombinera kisel med olika elektrisk ledningsförmåga (för nerdar: p-, respektive n-dopad, samt odopad) har de gjort en nanowire med unika egenskaper.

Den kan fungera som en helt vanlig kabel, som leder ström, men den kan också i sg själv fungera som en solcell. Jämfört med andra solceller är den hyfsat effektiv, den omvandlar 3.4%* av solljuset till elektricitet, men framför allt klarar den av höga ljusstyrkor under lång tid. Enligt forskargruppen finns inte heller någon anledning att tro att det inte skulle gå att komma upp i omvanldingseffektiviteter på runt 15%.

Och om man lyckas med det, då har man faktiskt lyckats med något ganska stort, även fast nano i sig själv antyder att det ska vara smått. Den här typen av nanowires är relativt lätta att producera och är jämförelsevis också ganska billiga.

Referens:

Bozhi Tian, Xiaolin Zheng, Thomas J. Kempa, Ying Fang, Nanfang Yu, Guihua Yu, Jinlin Huang, Charles M. Lieber, Nature 449, 885 - 889 (18 Oct 2007): doi:10.1038/nature06181

*Jämfört med de bästa rapporterna för solceller av Grätzeltyp är 3.4% kanske inte så mycket att komma med. Å andra sidan kan historien om hur de högsta värderna för Grätzelsolceller mättes vara värd att berätta här en annan gång. Mer än en erkänd forskare ifrågasätter dem.

Neanderthalare hade rött hår

I veckans nummer av tidskriften Science kan man läsa om en kommande artikel som publicerades online igår. Där beskrivs hur man har sekvenserat genen mc1r från två neanderthalare. Den genen är inblandad i pigmentering hos många ryddradsdjur och hos människa har man tidigare hittat varianter av mc1r-genen som ger rött hår och ljus hudfärg. Nu kan man dra slutsatsen att åtminstone några neanderthalare var rödhåriga och ljushyade. De undersökta neanderthalarna hade en variant av genen som man inte hittat i moderna människor, men analyser visar att den varianten borde resultera i rött hår och ljus hy. Jag kan tänka mig att just den här nyheten berörde mig extra mycket eftersom jag själv har rött hår.

Neanderthalare är en utdöd människoart som levde i Europa och västra Asien innan den moderna människan (Homo sapiens) kom dit. När den moderna människan kom till Europa från Afrika levde de sida vid sida med neanderthalarna under flera tusen år innan neanderthalarna dog ut. Trots mycket forskning är det är ännu oklart om neanderthalare och moderna männsikor fick barn med varandra så att neanderthalarna tillhör förfäderna till nutida människor med europeiskt ursprung. Ett projekt där hela neanderthalarens genom ska sekvenseras pågår och kommer säkert att leda till många intressanta slutsatser. Ett stort problem då man arbetar med gammalt DNA från utdöda arter är dock risken för kontamination från nutida DNA. Det problemet är speciellt stort med naenderthalare eftersom de är så lika moderna människor att man kanske inte upptäcker att den DNA-sekvens man tror kommer från en neanderthalare i själva verket kommer från en människa som jobbar i labbet eller som tagit i skelettet vid utgrävningen.

Språklig kommentar: neanderthalare stavas ibland neandertalare på svenska. Jag föredrar stavningen neanderthalare eftersom namnet kommer från orten Neanderthal i Tyskland, där det första skelettet av en neanderthalare hittades 1856.

Referenser:
Science 26 October 2007: pp. 546 - 547
Lalueza-Fox et al. Science DOI: 10.1126/science.1147417
Science, 17 November 2006: p. 1068

Försurningen 40 år

Försurningen fyller 40 år idag 24 oktober. I alla fall medvetenheten om att försurningsproblemet existerar i stor skala. Det var nämligen den 24 oktober 1967 som en artikel, ”Nederbördens försurning” publicerades. Tidigare hade man enbart rapporterat försurning i lokal skala, men i artikeln varnades för ett problem med stor utbredning. Författare var svensken Svante Odén. Och upptäckten presenterades inte i Science eller Nature, eller någon annan vetenskaplig tidskrift, utan på Dagens Nyheters debattsida. Först året senare publicerade Odén en artikel om ämnet i en vetenskaplig tidskrift.

Försurning är ju ett miljöproblem som man inte hör speciellt mycket talas om nuförtiden, men ”bara naturlig försurning” är i alla fall ett av våra nationella miljömål och enligt den senaste utvärderingen når vi inte målet, trots att nedsläpp av svavel och kväve har minskat betydligt de senaste decennierna. Även om det går åt rätt håll, så är problemet långtifrån åtgärdat och framför allt i södra Sverige pågår det fortfarande en betydande försurning. Naturvårdsverket spenderar till exempel 183 miljoner på kalkningsåtgärder bara i år.

Svante Odén, som alltså var den som först uppmärksammade problemet, var professor på samma avdelning på institutionen för marklära på SLU där jag doktorerade. Jag träffade honom aldrig, eftersom han försvann under en fisketur 1986 och aldrig återfanns, men han var en person som det talades om med största respekt runt fikabordet bland de som var med på hans tid. Han lär ha varit lite knepig att ha att göra med periodvis, men lär däremellan ha varit oerhört kapabel och var ett mycket respekterat namn inom markvetenskapen.

Hur man undervisar om ID, men ändå inte...

För någon vecka kom ju utbildningsministern med ett utspel om undervisning av evolution och intelligent design i svenska skolor. Nu har det kommet en respons från en av de främsta ID-förepråkarna i landet, Mats Selander, som tidigare bland annat skrivit en debattartikel i Expressen och argumenterat för undervisning av ID i religiösa friskolor.

Nu har han skrivit ett inlägg på Credoakademins blogg där han diskuterar hur undervisning om biologi kan gå till i kristna friskolor, nu när reglerna förtydligas. Han ger ganska konkreta tips för hur det ska gå till och han skriver bland annat:

” Men peka också på problemen och utmaningarna, t ex avsaknaden av den otroliga mängd fossila mellanformer som borde ha hittats om evolutionsläran stämmer, problemet med den kambriska explosionen, utmaningen med icke-reducerbar komplexitet, problemet med DNA-information och att vi inte vet hur det första livet uppstod. Visa på vetenskapens tentativa karaktär. Peka på diskussionen mellan darwinistisk gradualism och punkterad jämvikt. Fördjupa, vidga och analysera argumenten och påståendena. Detta bör göras utan att läraren proklamerar en teori som ”sanningen”. Men det måste sägas tydligt att evolutionsläran åtnjuter den överväldigande majoritetens stöd i forskarvärlden. Allt detta kan göras utan att läraren predikar en världsbild, vare sig det gäller gudstro eller ateism. Detta förhållningssätt har goda chanser att inspirera studenten till ett fördjupat studium i frågorna. "

"Ta sedan upp ursprungsfrågorna i religionen och filosofin. I religionen kan man ha öppna diskussioner om hur gudstro förhåller sig till en naturalistisk evolutionslära. Man bör föra diskussioner om huruvida evolution utesluter tron på en skapande Gud eller om de kan samexistera, och i så fall hur. "

...och han avslutar med...

"Med detta förhållningssätt kan man respektera det stora stöd evolutionsläran har i forskarvärlden och samtidigt bedriva en saklig och allsidig undervisning som inte lägger locket på en viktig och intressant diskussion. Det vore uppfriskande om det var detta som Björklund menade…”

Jag känner mig inte riktigt lika uppfriskad själv.

Årets jordmån

Vinnarna av årets nobelpris har ju redan annonserats. Själv är jag markvetare och det finns som bekant inget nobelpris i markvetenskap. Däremot har tyska markvetarsällskapets just presenterat den stolta vinnaren av ”Soil of the Year 2007”, d.v.s ”Årets Jordmån 2007”! Förutom den stora äran, tillkommer det vinnaren att få en review-artikel tillägnad sig i tidskriften Journal of Plant Nutrition and Soil Science/Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde.

And the winner is... Podsolen!

Ett bra val av juryn och en anledning att fira. Podsolen är ju nämligen något av en svensk nationaljodmån, som framför allt utvecklas i kalla och fuktiga klimat som vårt. Går man ut i den svenska skogen har man sällan långt till närmsta podsol. Står man på moränmark (och det gör man väldigt ofta i den svenska skogen) är chansen stor att man dessutom har en podsol strax under skosulorna.

En podsol består av fyra olika horisonter. Längst upp, ett lager av rent organiskt material i varierande grad av nedbrytning (O-horisonten). Under den organiska horisonten finner man blekjorden (E-horisonten), som ser ut som den heter, och är en grå askliknande utlakningshorisont, ofta några centimenter tjock. Under blekjorden finns rostjorden (B-horisonten), som också ser ut som den heter och är anrikad på organiskt material, järn och aluminium, som lakats ut från blekjorden. Ofta någon decimeter tjock. Längst ned finns det opåverkade modermaterialet (C-horisonten).

Exakt i detalj hur podsoleringen går till är fortfarande omdebatterat och det kan tänkas att olika mekanismer verkar samtidigt och med olika kraft i de olika miljöer där odsoler förekommer. Vattenlösliga organiska föreningar som lakas ut från det organiska markskiktet i O-horisonten spelar i alla fall en central roll i podsoleringsprocessen, genom att dessa binder järn och aluminium, som därmed lakas ut. Hur det sedan går till i detalj när det organiska materialet fastläggs tillsammans med metallerna är lite mer osäkert. Adsorption till mineralpartiklar är något som sker i marken och är en mekanism som sannolikt spelar en roll.. Dessutom kan det ske utfällning av organiskt material tillsammans med järn och aluminium i rostjorden, t.ex. p.g.a. en pH-ökning eller genom en minskad löslighet av allt mer metallrika organiska komplex med djupet, alternativt genom en nedbryting av delar av det vattenlösliga kolet.

Hur det nu än går till exakt i detalj när den bildas, så ber jag i alla fall att få gratulera podsolen till utmärkelsen årets jordmån! En värdig vinnare, om jag får säga min mening.

Referens: Sauer D, Sponagel H, Sommer M Giani L, Jahn R, Stahr K (2007) Podzol: Soil of the Year 2007. A review on its genesis, occurence, and functions. J Plant Nutr Soil Sci 170:581-597.

Antimateria

Det här är en artikel som blivit liggande ett tag och därför inte är dagsaktuell, men nyligen kunde vi läsa i Nature¹ om ett nytt genombrott vad gäller antimateria.

Vad är egentligen antimateria (AM) och vad finns det för intressanta frågeställningar kring ämnet? AM har en historia som sträcker sig tillbaka till kvantfysikens tidigar dagar. 1927 utvecklade Dirac den relativistiska versionen av Schrödingerekvationen. Diracekvationen, som den kallas, visade sig ha lösningar inte bara för positiva energier, utan även för negativa. Man antog att det skulle vara någon form av anti-partikel, och redan 1932 hittade man elektronens antipartikel–positronen. Enligt standardmodellen, dvs den nuvarande huvudteorin för hur vårt universum är sammansatt på partikelnivå, har varje partikel en antipartikel. En antipartikel har samma massa och spinn som sin partikel men omvända kvanttal såsom laddning, leptontal och baryontal. Man kan gå från partikel till antipartikel genom en CPT-transform (CPT=Charge Parity Time, C betyder att man byter tecken på alla laddningar, P att byter tecken på alla riktningar, x --> -x o.s.v., T att man byter riktning på tiden.), dvs en antipartikel kan ses som en spegelvänd partikel med omvänd laddning men som rör sig bakåt i tiden. Vissa partiklar, t.ex. fotonen är sin egen antipartikel. I accelaratorexeriment har man hittat en stor mängd partiklar och antipartiklar. Det finns exempelvis en stor grupp partiklar, mesoner, som består av ett kvark-antikvark-par.

En av de intressantaste frågorna rörande AM är varför det verkar finnas så lite av det in universum. Enligt de flesta (alla?) rådande teorier borde lika mycket materia som antimateria bildats vid Big Bang, Frågan är var all AM tagit vägen, eller varför det finns någon materia över huvud taget. Som alla som läst Dan Browns ”Änglar och Demoner” vet så är AM extremt ”reaktivt”. Om en partikel möter sin antipartikel kommer båda att annihileras och ”bli till ren energi” som den gode Brown uttryckte det, dvs till ett antal fotoner. En elektron och en positron annihileras genom att skicka ut två fotoner med energin 512 eV var. En enda elektron fungerar inte pga av lagen om rörelsemängdens bevarande. Så varför är universum inte bara en ett tomt eko av all materia och antimateria som borde träffats och annihilerats i tidernas begynnelse? Någon gång uppstod en obalans mellan de båda formerna och det vi kallar materia kom att dominera universum. (Nåja, den synliga delen av universum. Eftersom man, med Martin Rees ord, ”inte kan hitta 95% av universum”.) Detta är en av kosmologins stora gåtor.

Man har de senaste åren gått framåt i produktionen av antiväte, som är den allra enklaste varianten av antimateria. De första lyckade experimenten gjordes på 1990-talet vid Tevatronen i USA då man lyckades producera högenergetiska antiväte, men det senaste decenniet har man vid två konkurrerande experiment vid CERN, ATRAP och ATHENA, lyckats producera små mängder av kallt antiväte. Målet är att studera huruvida antimateria verkligen uppför sig som vanlig materia som teorin förutspår. Men, antiväte är inte den enda antiatomen som producerats, den var inte ens först. En mer exotisk fom av ”atom” förutspåddes på 30-talet och påvisades experimentellt 1951, positronium. Det är en elektron och en positron som hålls samman av Coulombattraktion på samma sätt som elektronen och protonen i väte. Positronium är metastabilt, dvs det har en lång (på atomär skala) livslängd, men sönderfaller genom annihilation. Studier av livslängden av olika positroniumtillstånd används som högprecisionstest av kvantelektrodynamiken.

Nu har man lyckats producera de första antimolekylerna, två positroniumatomer bundna till varandra, nästan som två väteatomer i en vätemolekyl. Man gjorde det genom att, mycket listigt, skicka en skur av positroner mot ett mål av porös kiseloxid (silica). Väggarna i silicaporerna kunde ta upp en del av den överskottsenergi som annars hindrar Ps-atomerna att paras ihop. Man hoppas nu inte bara kuna studera vad Ps₂ har för egenskaper utan också kunna skapa ett Bose-Einstein-kondensat av antimateria. Man skulle i så fall kunna få en koherent annihilationsprocess, vilket skulle kunna utnyttjas som en laser. Då fotonerna som skickas ut vid annihilationen är mycket kortvågiga skulle en sådan laser kunna användas till att studera tom atomkärnor.

Antimateria är spännande, inte bara som stoff för science fiction, utan också för vår fundamentala förståelse av universum. Bli inte alltför förvånade när Nobelpris börja trilla in där. Men det lär dröja ett tag ännu.

¹ D. B. Cassidy och A. P. Mills, Jr, The production of molecular positronium, Nature 449, 195-197. (pren. krävs)
² M. Charlton, Probing the antiworld, Physics World, 5 Okt 2005. Bra sammanfattning av antiväteprojekten.

Andra bloggar om: Fysik, Vetenskap, antimateria.

Nobelpris i kemi - modern ytkemi!

Årets nobelpristagare i kemi heter Gerhard Ertl och är numera emeritus professor vid Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft i Berlin. Priset, som han inte behöver dela med någon, får han för att han lagt grunden till den moderna ytkemin genom sina studier av fenomenet "heterogen katalys".

Så vad är heterogen katalys, och vad är det som gör att det är värt ett nobelpris (vilket det enligt min uppfattning utan tvivel är)?

En katalysator är ett ämne som påskyndar en kemisk reaktion utan att själv förbrukas eller förändras under själva reaktionen. Och att processen är heterogen innebär att reaktionen sker vid någon slags gränsyta, exempelvis genom att molekyler/atomer i gasfas adsorberas till en yta och sedan deltar i en kemisk reaktion, eller mellan molekyler på en yta och andra molekyler i en vätska. Och det handlar förstås om att kunna studera och första dessa reaktioner i detalj, bland annat genom experiment där man i princip studerar enskilda molekyler.

Och precis som för årets fysikpris är kemipriset lätt att relatera till. En av de mest välkända tillämpningarna av heterogen katalys är den katalytiska avgasreningen alla moderna bilar har, där kolmonoxid och kolväten omvandlas till koldioxid. Ett annat exempel handlar om hur man, genom att förstå exakt hur de kemiska processerna går till, kan undvika korrosionsproblem i exempelvis bilar eller flygplan. Heterogen katalys och kemiska reaktioner på ytor är också viktigt för hela halvledar- och mikroelektronikindustrin, och inte minst för utvecklingen av välfungerande bränsleceller.

Årets kemipris har helt enkelt allt! Det är lätt att förstå varför det är viktig forskning, och Ertls forskningsgärning är mycket imponerande, inte minst med tanke på att han utnyttjat alla möjliga tänkbara experimentella tekniker för att söka svar på sina frågeställningar och för att åstadkomma en så fullständig bild som möjligt av fenomenen, och också för att han återvänt till "gamla problem" när utvecklingen av nya instrument gjort det möjligt att få fram ytterligare information. En sann forskarsjäl!

Dags att låta sig inspireras och se om jag kan studera några heterogena elektronöverföringsreaktioner idag kanske...