Wallenberg Academy Fellows

Hon designar nanolaminat med skräddarsydda egenskaper

Nanomaterialens möjligheter förutspås vara oändliga, inte minst inom framtidens elektronik. Johanna Rosén hoppas kunna bidra till denna utveckling. Som Wallenberg Academy Fellow är hennes mål att ta fram magnetiska nanolaminat med skräddarsydda egenskaper.

Johanna Rosén är en person som alltid sökt, och fortfarande söker, svar på frågan varför. Som barn tyckte hon mycket om knep och knåp. Hon gillade att klura och fundera, hon ville förstå och hitta svar. Hennes största drivkraft har alltid varit upptäckarglädje, att utforska saker, att bryta ny mark och att göra nya saker som hon från början inte riktigt förstår.

– I någon mening leker jag på jobbet. Det är så fruktansvärt roligt. Jag får undersöka sådant jag tycker är spännande och dessutom får jag lön för det. Jag vet inte om alla känner så för sina jobb, men jag tycker det är väldigt förmånligt.

Nu är Johanna Rosén inte en person som bara gillar att sitta och klura i sin ensamhet. Bäst trivs hon när hon gör många olika saker. När hon var yngre gjorde hon allt: spelade fotboll och instrument, sjöng i körer och pluggade mycket eftersom hon tyckte skolan var kul. Idag är forskningen och familjen hennes två grundpelare i livet, det som fyller hela hennes vardag och lite därtill.

– Jag är övertygad om att min familj gör mig till en bättre forskare, förvisso tröttare, men definitivt bättre. Jag är mycket gladare både hemma och på jobbet när jag får ägna mig åt de två saker som jag tycker bäst om just nu, och det är att vara med familjen och att forska.

Materialfysik

När Johanna Rosén läste till gymnasielärare på universitetet upptäckte hon att matte och fysik var väldigt spännande och roligt. Så när de andra på lärarutbildningen gick på praktik stannade hon kvar och läste vidare med fysikerna, och på den vägen blev det.

– Tycker man fysik är kul i grunden så kan man i princip göra vad som helst. Jag hade lika gärna kunnat syssla med polymerer eller svarta hål eller vad som helst. Att jag kom in på materialfysik berodde på att jag råkade träffa en entusiastisk och inspirerande person, Jochen Schneider, som sedan också blev min doktorandhandledare.

Något förenklat kan man säga att materialfysik handlar om att försöka förstå hur de material vi har runt omkring oss fungerar och att ta fram nya material som fungerar bättre. Mer precist forskar Johanna Rosén idag på nanostrukturer i tunna filmer. Målet är att ta fram magnetiska nanolaminat, uppbyggda atomlager för atomlager, med skräddarsydda egenskaper.

Huvudspåret i hennes forskning är att bygga dessa nanolaminat genom att stapla olika så kallade MAX-faser på varandra. Ofta består en MAX-fas av tre atomslag i olika lager: ett lager av en metall i periodiska systemets mellersta del, till exempel titan; ett lager av en metall i periodiska systemets högra del, till exempel aluminium; och ett lager som vanligtvis består av kol eller kväve.

– Vi börjar med att göra modeller i datorn genom att plocka ihop atomer och bygga upp materialen där, man kan kalla det en form av atomslöjd. Sedan räknar vi på det. Är MAX-faserna stabila? Vad har de för egenskaper? Hittar vi då ett material som är stabilt och som har intressanta egenskaper så springer vi ner i labbet.

Tre vakuumkammare

I laboratoriet har Johanna Rosén och hennes kollegor designat och byggt tre vakuumkammare för att kunna tillverka de MAX-faser och nanolaminat som de modellerat i datorn. Processen bygger på två olika tekniker som tvingar atomer och joner ur ett material. Den ena kallas arcförångning och den är snabb, våldsam och ger en plasma med en massa joner i. Den andra kallas sputtring och den är långsammare, mer kontrollerad och ger en plasma som mest består av atomer och molekyler.

I både arcförångning och sputtring landar plasmat på ett substrat, en yta, där materialet bildas. När forskarna väl har fått fram nya spännande MAX-faser är det dags att göra superstrukturer genom att lagra dem på varandra.

– Vi börjar med att titta på hur MAX-faserna fungerar tillsammans. Går det att lagra dem på varandra på ett bra sätt? Vad blir det för egenskaper på det lagrade materialet? Där är vi ännu inte idag. Vi har tagit fram nya, spännande material och nu försöker vi förstå hur de fungerar för att vi så småningom ska kunna skräddarsy materialens egenskaper.

Johanna Roséns forskargrupp är än så länge ensam i världen om att ha lyckats tillverka magnetiska MAX-faser. Den är också först med att försöka använda MAX-faserna för att skapa magnetiska nanolaminat. Många osäkerhetsmoment och utmaningar återstår dock.

"Äran och erkännandet är viktig. Det innebär också resurser för att förverkliga de idéer man har, vilket betyder möjligheter att anställa duktig personal. Med ett anslag från Wallenbergstiftelsen, som har högt anseende, så är det också lättare att attrahera och rekrytera duktiga medarbetare."

Om Johanna Rosén och hennes kollegor lyckas med sin materialdesign på atomnivå finns många möjliga tillämpningar, inte minst inom elektroniken. Till exempel skulle magnetiska nano-laminat med skräddarsydda egenskaper kunna användas för att minska energiåtgången vid datalagring och datatransport. De skulle också kunna bidra till snabbare, mindre och stabilare hårddiskar.

– Exakt vad våra material kommer att passa till, det får vi se så småningom.

Text Anders Esselin
Foto Magnus Bergström