Wallenberg Scholars

Hård, hårdare, hårdast - stark materialforskning

Lars Hultmans forskning går ut på att hitta nya blandningar av grundämnen som gör hårda material ännu hårdare och tåligare. Något som efterfrågas av industrin. En modell som han jobbar med är självorganiserande nanostrukturer. Till sin hjälp har han ett kraftfullt elektronmikroskop som fått en egen byggnad.

Lars Hultman

I arbetsrummet har Lars Hultman delar av sin mineralsamling som vittnar om hans fascination för material och materialblandningar. Kvarts och kattguld är exempel på naturens eget sätt att blanda material. Men de naturliga materialen är inte alltid tillräckligt starka för att klara dagens krav.

– Det finns stora behov av riktigt starka material inom industrin, konstaterar Lars Hultman, professor i tunnfilmsfysik och föreståndare för en excellent forskningsmiljö inom materialvetenskap vid Linköpings universitet.

Som exempel nämner han lågfriktionsytor i kullager och slitstarka verktyg som ska kunna skära i härdat stål för att tillverka växellådor.

Sedan doktorandtiden har Lars Hultman i huvudsak ägnat sig åt att skapa superhårda material och studera deras mikrostruktur för att förstå hur de är uppbyggda.

– Vi har till exempel utvecklat självhärdande ytbeläggningar som blir som hårdast när det är varmt, berättar Hultman.

Det handlar om keramiska material som består av minst tre grundämnen. Vid temperaturer över 800° vill legeringen dela upp sig i olika komponenter, fasseparera. Då bildas ett mönster i materialet som kan se ut som ett schackbräde, en bikupa, eller labyrint fast på en nanometerskala. Med den nya inre strukturen uppstår nya egenskaper och ett nytt nanomaterial är skapat. Inga fria nanopartiklar uppstår under processen.

Till stor del okänd mark

– Det finns många sätt att blanda atomer för att göra funktionella och multifunktionella material.  Vi jobbar med 79 grundämnen som i sin tur ger upphov till 3 081 olika parkombinationer. De flesta är outforskade, konstaterar han.

Ett exempel på en känd blandning som ger en hård ytbeläggning är titannitrid som är en kombination av titan och kväve.

– Vi letar efter ämnen som vill byta tillstånd, faser. Olika blandningar passar olika verktyg eller andra tänkta tillämpningar, förklarar Hultman.

Men det är lättare sagt än gjort. Forskarna i Linköping hittar ett par nya fasta föreningar per år vilket kan jämföras med att det bara finns några tusentals mineraler på jorden. Samtidigt räknas antalet nya växt-, djur- och insektsarter i tusentals varje år. I sitt sökande använder materialforskarna kraftfulla datorer och beräkningsprogram.

– Vi försöker förena grundämnen från vardera sidan av det periodiska systemet för att få funktionella material, där vi också kan styra den inre strukturen. Vi skapar också nya kompositmaterial och lagrade skikt som efterliknar de i musselskal.

Naturens lego

Genom kombinationer av olika grundämnen, som vill eller inte vill, blanda sig väver forskarna nya mönster. Mönster som är avgörande för materialets egenskaper.

– Vår idé är att få strukturerna att vecka sig, forma sig själva, genom självorganiserande nanostrukturer. Det kan även liknas vid ett slags lego som bygger sig själv. Självorganiserade nanostrukturer finns i naturen. Fåglarnas magnetiska navigationssystem och lotusblommans förmåga att rena sig själv är två exempel.

Svårigheten är att räkna ut hur ämnen ska blanda sig för att uppnå det mönster som ger de egenskaper man vill ha.

– Det kräver både verklighetsgrund och inbillningsförmåga. Vi har redan hittat flera spännande strukturer och vi har några nya koncept som vi jobbar med, berättar Lars Hultman.

Det behövs också ett kraftfullt mikroskop, med hög upplösning, för att forskarna ska kunna se hur atomerna är placerade eller hur de rör sig inom strukturen. Det är en av de mest strategiska faktorerna i materialforskning.

– 2009 fick vi ett anslag från Stiftelsen till ett elektronmikroskop. Det var det första i sitt slag i Europa. Vi är väldigt stolta över det eftersom det bara finns fem anläggningar i världen som har en liknade prestanda.

Mikroskopet som väger 2,5 ton och är närmare fyra meter högt står i det nya Ångströmshuset som Linköpings universitet låtit bygga på campus.

Två nya material på väg

Men det är långt ifrån alla blandningar som skapas som testas i elektronmikroskopet.

– Vi börjar med att titta på dem i andra mikroskop. De material som vi efter det fortfarande tror har stor potential, tar vi vidare till elektronmikroskopet.

Lars Hultman berättar att han och hans forskargrupp redan har hittat några nya faser i elektronmikroskopet.

– Vi har skapat en ny karbid och en ny silicid, en kiselmetallblandning, ett arbete som nu ligger ute för publicering.

Lars Hultman hoppas att hans och forskargruppens forskning ska gagna svensk industri och säger att de jobbar med tillämpningsinspirerad grundforskning.

– Vi har en nära dialog och ett stort kunskapsutbyte med företag. Tillverkarna har egna kriterier för hur varje produkt ska fungera. Det inspirerar oss, även om vår forskning oftast ligger längre fram i tiden och handlar om material som tillverkarna ännu inte vet att de vill ha.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström