Foto: DTU

Han forsker i magiske materialer

fredag 02 dec 16
|

Kontakt

Kristoffer Almdal
Professor
DTU Nanotech
45 25 81 44

H.C. Ørsted-forelæsninger

To gange om året inviterer DTU fremtrædende internationale forskere til at forelæse om deres arbejde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde ved de såkaldte Ørsted Lectures. Forelæsningerne er åbne for alle. Se eller gense nogle af de tidligere forelæsninger, og få information om kommende forelæsninger her: dtu.dk/HC-Oersted-Lecture.

Copolymerer

Copolymer (som f.eks. plast) er dannet ved polymerisation af to eller flere forskellige monomere forbindelser, til forskel fra en homopolymer, der er dannet ved polymerisation af én monomer.

Der er et meget stort antal teoretiske muligheder for dannelse af copolymerer; mange udmærker sig ved særlige egenskaber og har derfor fået stor samfundsmæssig betydning. Nogle eksempler er butadien-styren copolymerer (SB-gummi, ’syntetisk gummi’), isobutylen-isopren copolymerer (butylgummi), vinylidenklorid-vinylklorid copolymerer (f.eks. husholdingsfilm) og acrylonitril-vinylacetat copolymerer (Orlon-fibre til beklædning).

Kilde: Gyldendals Den Store Danske

Foto: DTU

Frank S. Bates har et årelangt samarbejde med DTU Nanotech. Hans forelæsning på DTU, som fandt sted i september 2016, er en udløber af dette samarbejde.

Hurtig heling efter et hjertetilfælde. Tyggegummi, der let fjernes fra fortovet. Stærke materialer med bløde overflader. Mød en af verdens førende eksperter i polymerer – materialer, der har fantastiske egenskaber.

Verden er allerede fuld af polymerer, men ifølge professor Frank S. Bates, University of Minnesota, har vi kun set en lille flig af det, de kan anvendes til.

”F.eks. samarbejder min forskningsgruppe med hjertelæger. Sammen har vi vist, at patienter, som skal komme sig efter et hjertetilfælde, klarer sig markant bedre, når de behandles med bestemte polymerer.”

Forskernes studier tyder nemlig på, at polymererne ændrer overfladeegenskaberne i hjertets celler på en måde, der er gavnlig for helingsprocessen.

”Faktisk forstår vi ikke mekanismen helt. Det arbejder vi fortsat på at afklare. Min pointe er imidlertid at vise, hvorfor det er så fascinerende at arbejde med polymerer. Tilsyneladende kan en relativt lille tilpasning forandre et materiale, som sælges billigt i store mængder over hele verden, til et medicinsk højværdistof.”

Stoffer med magiske egenskaber

Frank Bates er især kendt for sine studier af komplekse polymerer. Det er muligt at skabe polymerer, der i virkeligheden er en kombination af forskellige polymerer i det samme molekyle. Det kaldes en copolymer. På den måde kan man få forskellige kemiske egenskaber på forskellige sider af det samme molekyle. F.eks. kan molekylet være vandskyende (hydrofobt) på den ene side, men meget villigt til at forbinde sig med vand (hydrofilt) på den anden. Eller molekylet kan være stift med stor mekanisk styrke på den ene side og blødt på den anden side.

Med andre ord kan copolymerer skabe materialer, der tilsyneladende har magiske egenskaber. Dette felt er dog kun i sin vorden, når det gælder praktiske anvendelser.

Samtidig med at polymererne er gavnlige stoffer med egenskaber, der vil kunne løse en række udfordringer, skaber de også enorme problemer, som polymerforskerne er nødt til at tackle, mener Frank Bates:

”Vi kan ikke lukke øjnene for, at polymermaterialer hober sig op i vores oceaner, hvor de efterhånden udgør enorme, flydende øer. Vi bliver nødt til at udvikle bæredygtige polymerer.”

Erstat olie med mælkesyre

Han understreger, at opgaven med at skabe bæredygtige polymerer i sig selv er overkommelig. Når man fremstiller polymerer, starter man altid med mindre byggesten, de såkaldte monomerer.

”I dag får vi monomerer fra råolie. Men der er intet til hinder for, at vi i stedet får dem fra cellulose, sukker og andre fornybare, biologiske råstoffer. Desuden er det muligt at forbinde disse monomerer på en måde, så de kun hænger sammen som polymerer i en vis periode. Herefter kan de nedbrydes tilbage til monomerer. Som derefter igen nedbrydes videre, så man til sidst blot har vand og kuldioxid. Det store problem er i virkeligheden ikke kemisk, men derimod økonomisk. De oliebaserede polymerer er simpelthen meget billige.”

To oliebaserede polymerer – polyethylen (PE) og polypropylen (PP) – tegner sig tilsammen for to tredjedele af verdensmarkedet for polymerer. Og de to stoffer anslås at udgøre en værdi af ca. 400 mia. dollar årligt. Disse stoffer ville i stedet for olie kunne fremstilles af mælkesyre.

”Mælkesyre er et eksempel på de lovende fornybare biopolymerråvarer, vi har til rådighed. I øjeblikket er fremstillingsprisen for de biobaserede stoffer dog for høj. Men det må vi ikke lade os afskrække af.”

En stor forskel på de oliebaserede og de biologiske råvarer er, at der er ilt til stede i de biologiske.

”Tilstedeværelsen af ilt ændrer de termodynamiske egenskaber markant. Det betyder, at man ikke kan forvente, at de samme produktionsprocesser vil være effektive. Imidlertid er det min klare overbevisning, at man kan finde nye processer, hvor tilstedeværelsen af ilt ikke blot er mindre problematisk, men direkte gavnlig. Man må huske på, at produktionen af PE og PP er blevet optimeret over mere end 80 år, mens forskningen i biopolymerer kun har fundet sted i det seneste årti. Der er al mulig grund til at forvente, at prisen vil komme ned, i takt med at der findes mere effektive processer.”

Til gengæld er en lavere pris absolut nødvendig, mener Frank Bates:

”Man kan nu engang ikke tvinge folk til at betale en højere pris for et produkt, selvom det er mere miljøvenligt.”

Tyggegummi førte til ny erkendelse

Frank Bates deltager selv i bestræbelserne gennem sit engagement i Center for Bæredygtige Polymerer ved University of Minnesota.

”I min egen forskningsgruppe udfører vi grundforskning. Men jeg understreger altid for mine studerende, at vi skal have et øje for praktiske anvendelser. I øvrigt går dette begge veje. Ny teori fører til nye anvendelser, men det sker også, at anvendelser inspirerer til ny teori.”

"Polymerer bliver ved med at afsløre nye, forbløffende egenskaber"
Frank S. Bates, Professor i materialeforskning ved University of Minnesota, USA

Et aktuelt eksempel er et samarbejde med virksomheden Wrigley, der fremstiller tyggegummi.

”Vores mål var at undersøge, om vi kunne udvikle tyggegummi, der ikke klæber til fortove og lignende overflader, når det bliver spyttet ud, og som dermed er lettere at fjerne.”

Projektet har endnu ikke har udmøntet sig i en ny type tyggegummi på markedet. Men det skyldes udelukkende, at virksomheden på nuværende tidspunkt mangler et økonomisk incitament til at ændre produktionen. Det er nemlig langt fra sikkert, at forbrugerne vil være parate til at købe et mere miljøvenligt produkt. Men set fra et videnskabeligt synspunkt har projektet været en succes. Der er udtaget fire patenter og indhentet ny grundlæggende viden.

I forbindelse med tyggegummiprojektet har Frank Bates og hans kolleger fundet såkaldte kvasikrystaller i polymererne. Kvasikrystaller er selvorganiserede partikler, som på én og samme tid udviser egenskaber som fast stof, som man kender det i krystaller, og væskelignende egenskaber.

”Vi blev forbløffede over det mønster, vi så på vores røntgenoptagelser af vores sammensmeltede copolymerer. Det ledte os til ny indsigt i det fænomen, der kaldes symmetribrydning, og som er fundamentalt inden for materialeforskning. Fænomenet symmetribrydning er et nøglebegreb inden for smeltede metaller og legeringer.”

Foto: DTU

Fik eksperimenter udført i Danmark

Interviewet til Dynamo finder sted i forbindelse med Frank Bates’ H.C. Ørsted-forelæsning på DTU. Invitationen var en udløber af et langvarigt dansk-amerikansk samarbejde.

”Kristoffer Almdal (som i dag er professor ved DTU Nanotech, red.) var min første postdoc. Han og jeg har bogstavelig talt bygget mit laboratorium sammen. Vi har holdt fast i samarbejdet, efter at Kristoffer rejste hjem til Danmark. I en række år var han også behjælpelig med at skaffe min forskningsgruppe tid på den daværende danske facilitet for neutronstråling ved forsøgsreaktoren DR3 på DTU Risø Campus.”

For den udenforstående kan det måske undre, at en amerikansk forsker søger helt til Danmark for at få tid på et forskningsanlæg.

”Neutronstråling er en meget knap ressource,” forklarer Frank Bates. ”Strålingen skal enten komme fra en atomreaktor eller et særligt spaltningsanlæg. Hverken sikkerhedsmæssigt eller økonomisk er nogen af de to løsninger inden for rækkevidde for et universitet. I hele USA har vi kun to anlæg. De bliver begge drevet som nationallaboratorier. Dvs. at forskere og virksomheder over hele landet konkurrerer om at få tid på dem.”

DR3-reaktoren på Risø blev taget ud af drift tilbage i 2000. Siden har Frank Bates fået sine eksperimenter udført enten på de to amerikanske anlæg eller anlæg i andre europæiske lande end Danmark.

”Europa er længere fremme end USA, når det gælder neutronstråling. Efter min mening er det franske anlæg i Grenoble verdens bedste. Men også anlæg i Tyskland og Schweiz er langt fremme. De vil dog alle blive overgået, når ESS (European Spallation Source, red.) åbner i Sverige. Som bekendt er Danmark medejer af ESS, så jeg håber, at jeg kan få glæde af mine danske forbindelser endnu en gang!”

Polymerer kan transportere medicin

Hvorfor er neutronstråling så vigtig for polymerforskningen?

”Ved studier af krystaller og andre faste strukturer er røntgenstråling typisk meget værdifuld. Men for bløde materialer som polymerer er der en række forhold, hvor neutronstråling er endnu bedre. En af de centrale metoder går ud på at udskifte brintatomer i en prøve med deuterium. På den måde kan man mærke sine molekyler og efterfølgende studere, hvordan de organiserer sig i både tid og rum. Det er et unikt værktøj.”

Ud over til polymerer egner metoden sig særligt til studier af medicin og en række andre biologiske problemstillinger.

”F.eks. er ’drug delivery’ et område, hvor både viden om polymerer og biologi er relevant. Copolymerer har stort potentiale for at transportere medicin frem til de rigtige steder i kroppen. Med en baggrund som kemiingeniør er jeg egentlig ikke uddannet til at forske i medicin, men i de senere år er jeg blevet så involveret, at jeg nærmest føler mig som en del af det felt!”

Imidlertid kan fremtiden også byde på anvendelser inden for mere traditionelle ingeniørområder, nemlig inden for fremstilling af komponenter til computere.

”En af de interessante ting ved copolymerer er, at man kan bruge dem til at give overfladen af silicium- skiver bestemte mønstre med unik opløsning i nanoskala. Denne type materialer bliver udviklet med henblik på at forøge ydeevnen i computerchips og hukommelsesenheder. Og appetitten på stadig hurtigere computere med stadig større hukommelse er fortsat stor.”

Inspiration fra sommerfuglen

Tilbage til kvasikrystallerne. For her ser Frank Bates bl.a. spændende perspektiver inden for fotonikken:

”Det er velkendt, at lys kan manipuleres i materialer ved hjælp af såkaldte fotoniske båndgab. Gabene skal fremstilles uhyre nøjagtigt inden for længdeskalaer på 100- 1.000 nanometer. Denne præcision er en enorm udfordring, når man bruger traditionelle fremstillingsteknikker. Løsningen kunne være at udnytte den evne, som copolymerer med indbyggede kvasikrystaller har til at organisere sig selv.”

Et beslægtet forskningsområde er at udnytte mikrostrukturering af overflader til at skabe bestemte egenskaber.

”F.eks. har forskere ved DTU Nanotech og andre forskere vist, at mikrostrukturering tilsyneladende kan få et materiale til at ændre farve. Princippet kendes fra sommerfugles vinger. Med andre ord kan man undgå at bruge farvestof ved i stedet at give overfladen en bestemt struktur. Nu er vi tilbage til temaet om bæredygtighed!”

Samtidig bekræfter eksemplet en anden af Bates’ observationer:

”Mange gange i løbet af min karriere har jeg hørt folk sige, at ’nu ved vi alt’ om et givent emne. Jeg må tilstå, at jeg også selv har sagt sådan ved nogle lejligheder. Men hver eneste gang har det vist sig, at vi tog fejl. Polymerer bliver ved at afsløre nye, forbløffende egenskaber!”

Blå bog

Foto: DTU

Frank S. Bates er professor i materialeforskning ved afdelingen for kemiteknik og materialeforskning, University of Minnesota, USA. Han leder Bates Research Group, der har polymermaterialers termodynamik og dynamiske egenskaber som forskningsområde. Han er uddannet som kemiingeniør og materialeforsker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1979. Samme sted opnåede han sin ph.d.-grad i 1982. Frank Bates’ navn er især knyttet til studier af såkaldte copolymerer, hvor forskellige polymerer kombineres med henblik på at opnå nye egenskaber. Frank Bates er medlem af det amerikanske akademi for ingeniørvidenskab, National Academy of Engineering, og af akademiet for kunst og videnskab, American Academy of Arts and Sciences.

Relaterede Videoer