Den typiska ordningen i samarbeten mellan teoretiker och experimentella forskare är att teorin kommer först. Teoretikern har räknat på en kombination av ämnen och förutsättningar som ska kunna ge ett lovande resultat. Sedan försöker den experimentella forskaren att skapa materialet i ett labb. Men för materialforskarna Florian Trybel och Dominique Laniel är ordningen omvänd.
– Experimenten, som nu är mycket dyra, kommer antagligen inte bli mycket effektivare eller billigare än vad de är nu. Därför måste vi komma i kapp med våra beräkningar och modeller för att spara tid och resurser, säger Florian Trybel, biträdande universitetslektor vid Linköpings universitet.
Han är teoretiker inom materialfysik, vid avdelningen för teoretisk fysik. För hans del innebär det att bryta ned experimentella observationer till teoretiska förklaringsmodeller, främst med fokus på vad högt tryck gör med naturlagarna. Där saknas nämligen mycket av kunskapen som krävs för att kunna förutspå, med precision, vad för sorts material som går att skapa under extrema tryck och temperaturer.
På samma sätt som naturen skapar diamant – vanliga kolatomer som utsätts för extremt tryck – vill Florian Trybel och Dominique Laniel skapa nya material av andra grundatomer som kan få nya och oväntade egenskaper.
– Vi vet inte tillräckligt mycket om vad extrema miljöer gör med kemin mellan ämnen för att teoretiskt kunna förutspå resultat med tillräcklig säkerhet. Innan vi har kunnat analysera tillräckligt många material tvingas vi ofta att testa och se vad som händer, säger Florian Trybel,
Båda forskarna har fått stora ekonomiska bidrag för att utveckla framställningen av nya material i extrema miljöer och för att bygga de fundamentala matematiska modellerna som behövs. Det är ett stort arbete och en nödvändighet för att forskare världen över ska få djupgående förståelse för vad extrema miljöer som högt tryck och temperatur gör med atomer och dess bindningar. I förlängningen kan det också ge en förståelse för hur vi kan använda den kunskapen till mänsklighetens fördel.
För att skapa de nya materialen i labb använder Dominique Laniel ett så kallat diamantstäd. Något förenklat kan man förklara det med att ett grundmaterial placeras mellan spetsarna på två diamanter som sedan utsätter materialet för ett tryck många miljoner gånger högre än vår egen atmosfär.
Sedan höjs temperaturen på materialet i städet till många tusen grader Celsius med hjälp av en mycket kraftig laser. Om experimentet varit framgångsrikt sker en så kallad syntes, där enkla atomer och molekyler kombineras för att bilda invecklade material. Diamantstädet med det nya materialet skickas sedan till en sorts partikelaccelerator kallad synktron, som låter Dominique Laniel fastställa det nya materialets struktur.
– På grund av det höga trycket är det mycket lite material vi kan skapa. Då är det oerhört svårt att mäta vilka egenskaper det nya materialet har. Vi förlitar oss därför på Florian, som kan använda superdatorer till detta, säger han.
Synkrotronen visar hur atomerna är arrangerade, det vill säga dess kristallstruktur. När kristallstrukturen för materialet är fastställd i synkrotronen analyserar Florian Trybel detta med hjälp av tunga och avancerade beräkningar som kräver superdatorkraft.
– Om de kemiska bindningarna mellan atomerna håller ihop materialet har vi något att jobba med, säger Florian Trybel.
Experiment i extrema miljöer har blivit möjliga tack vare de senaste årens teknologiska framsteg. Det öppnar en vidsträckt och outforskad värld av komplexa material med oväntad kemi.
Genom att bryta mot det normala arbetssättet och istället gå från experiment till teori kan Florian Trybel och Dominique Laniel utforska den materialvärlden och utnyttja vad de kallar kemisk intuition för att bestämma vilka kombinationer de ska testa.
– Tillsammans har jag och Florian erfarenhet och kunskap som ger oss en viss intuition om vad vi kan testa för att få fram intressanta material, säger Dominique Laniel.
Forskarkollegorna har till exempel lyckats skapa material i sitt labb som närmar sig diamant i hårdhet. Dock i så små kvantiteter att det ännu inte finns någon användning av det utanför labbet.
– Drömscenariot för mig är att vi ska kunna hitta vägar för att skapa dessa material under lägre tryck, så att de kan massproduceras och komma mänskligheten till nytta, säger Dominique Laniel.
För att ska bli möjligt måste forskningen först öka förståelsen för varför högt tryck påverkar kemin mellan ämnen på det sätt den gör. Enligt Florian Trybel måste det teoretiska pusslet ha fler bitar på plats.
– För oss teoretiker är målet att kunna säga vad som behövs i ett experiment för att få en viss kristallstruktur, då måste vi förstå varför strukturerna är som de är och fortsätta samarbetet med våra experimentella kollegor.
