Det strategiska forskningsområdet eSSENCE stödjer ett nytt samarbetsprojekt med forskare vid universiteten i Lund och Umeå. Syftet med projektet är att utforska lermaterial på atomistisk nivå och koppla detta till grovkorniga simuleringar och experiment, vilket tidigare har saknats.
– Potentialen för olika tillämpningsområden är stor, säger en entusiastisk Marie Skepö, professor i Teoretisk kemi vid Lunds universitet.
I två år kommer forskargruppen att studera leror på atomistisk nivå där man tittar på lerpartiklar, hur de växelverkar med varandra och vilka strukturer som bildas vid tillsats av olika makromolekyler och salter. Med olika experiment och avancerade beräkningsmetoder hoppas forskarna få svar på vad det är som ger leror olika egenskaper och hur man kan styra dessa.
Hållbart, naturligt och användbart
Lera är en typ av sedimentär bergart som huvudsakligen består av finkorniga mineralpartiklar som är mindre än 0,002 mm i storlek. Det är ett av de äldsta material som använts av människor och man har hittat keramikskärvor som är närmare 16 000 år gamla. Förutom att det används till keramik så har leror genom alla tider varit ett viktigt material för byggnation och används fortfarande i stor utsträckning som tegelstenar, kakel och klinkers. I kontakt med vatten utvecklar leror särskilda egenskaper som beror på hur partiklarna är uppbyggda.
– Lerpartiklar ser ut som flak där plattan är negativt laddad och kanten är positivt laddad, förklarar Marie Skepö och fortsätter: När man i experiment tillsätter olika salter kan partiklarna bilda olika strukturer och de får då olika egenskaper som spelar roll för olika tillämpningar.
Forskare söker efter information om hur strukturer som bildas ser ut, kända exempel är strukturer som påminner om korthus, staplade mynt och överlappande mynt. Beroende på hur lerorna kan suga upp och hålla kvar vätska blir de intressanta som barriärer för olika ämnen och har därför använts som ytskydd. Man kan använda lera som inneslutande skydd för till exempel kärnavfall och gruvnäringens giftiga spillprodukter.
Värdefulla samarbeten
För att förstå lera och dess egenskaper används flera olika metoder. Hittills har både modellering på grovkornig nivå och experiment utförts. Experimentellt spelar synkrotronljus-spridning en viktig roll. Detta görs vid CoSAXS, ett strålrör på MAX IV laboratoriet i Lund, och vid forskningsinfrastrukturen ESRF i Grenoble i Frankrike. Att få tillgång till en världsledande stråljusanläggning bara ett stenkast från kontoret är en enorm fördel.
Förutom att mätningarna är betydligt snabbare och att det är bättre kvalité på data så öppnar det upp för samarbete och kunskapsöverföring, vilket är guld värt. Marie Skepö är även vice föreståndare för LINXS, som är en organisation med säte i Lund och som arbetar just med att sprida kunskap om användning av neutron- och synkrotronljusanläggningar, och hon framhåller värdet av dessa nätverk och resurser.
– Det vi har saknat hittills är verktyg att undersöka vad som sker på den atomistiska nivån och det blir ett bra komplement till de andra metoderna. Att brygga över mellan metoder, mellan nivåer och olika angreppsätt har varit en viktig del av min forskargärning och här får jag verkligen göra det, säger Marie Skepö.
En annan viktig satsning för Marie Skepös forskning är Lunds universitets investering i stor beräkningskapacitet i form av klustret COSMOS vid LUNARC, universitets centrum för vetenskaplig och tekniska beräkningar. Bättre datorer och högre kapacitet påskyndar forskningsresultat och kan leda till snabbare lösningar på samhällsutmaningar. Med COSMOS fjärrskrivbordstjänst (grafiskt gränssnitt) och avancerad grafikhårdvara kan man inte bara utföra kraftfulla beräkningar utan även visualisera stora datamängder. Detta kan i sin tur öka förståelsen för de fenomen som simuleras.
– Med den nya infrastrukturen kommer det att gå ungefär fyra gånger snabbare. Det som tog mig fyra år att simulera för min doktorsavhandling för 20 år sen kan nu göras på ett par veckor, förklarar Marie Skepö.
Det handlar om att få tillgång till snabbare processorer men också om att få bra data. Eftersom det kan ta månader att göra simuleringar är det viktigt att veta att man gör rätt saker. För att det ska bli hanterbart måste man förenkla, men samtidigt är det viktigt att använda sig av komplexa modeller och förhållanden som liknar de riktiga systemen.
Nya användningsområden
Den tekniska utvecklingen är till stor hjälp, men för Marie Skepö är det att lösa komplexa forskningsfrågor som är drivkraften. Att kunna tänka fritt och stort för att hitta svar som kan möjliggöra förändringar och komma samhället till nytta. För att kunna lösa stora, komplexa utmaningar betonar hon att forskare måste hitta varandra och samarbeta.
– Det skulle vara fantastiskt att komma fram till hur vi kan designa material så som vi vill ha dem. Lera går ju så bra att använda på och i kroppen. Det kan även bli bärare av både läkemedel och sårbehandlingsmedel.
Med många års forskning inom området får hon också kvitto på att det hon gör är viktigt i form av ytterligare anslag från andra finansiärer som också ser en framtid för lera som material. Det är helt klart ett urgammalt material med framtiden för sig.