CMC finder fejl i teorien bag bredt anvendte materialer

DG-centerleder Bo Brummerstedt Iversen er en af forskerne bag et nyt Nature Materials-studie, som viser, at dele af teorien bag såkaldte van der Waals-materialer ikke stemmer overens med virkeligheden. Teorien skal derfor gentænkes, før forskerne fuldt ud forstår materialerne, som blandt andet rummer store potentialer inden for energiforskning.

Synkrotron-anlægget SPring-8 i Japan, hvor målingerne bag studiet blev foretaget. (Foto: Wikimedia Commons)

Den teoretiske modellering af såkaldte van der Waals-materialer skal gentænkes og forbedres. Det er konklusionen i et studie, som centerleder for Center for Materials Crystallography (CMC) ved Aarhus Universitet, Bo Brummerstedt Iversen, sammen med kollegaer netop har publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Materials.

”Indtil nu har der næsten kun været teoretiske beregninger og få eksperimenter på området, men i vores studie har vi ved hjælp af en af verdens kraftigste røntgenkilder foretaget meget præcise målinger, som viser noget andet, end teoretiske beregninger i dag foreskriver,” siger Brummerstedt Iversen.

Materialerne bruges i alt fra blyanter til batterier
Van der Waals-materialer er lagdelte materialer, der holdes sammen af såkaldte van der Waals-kræfter, som betegner den svage vekselvirkning – interaktion – mellem molekylerne i materialernes lag. Van der Waals-materialer er derfor en bred betegnelse, men materialerne finder især anvendelse inden for energiteknologier – eksempelvis i batterier.

Et af de mest alment kendte van der Waals-materialer er grafit, der sammen med ler udgør stiften i blyanter, men som også benyttes til at konstruere anoder i batterier. I blyanten ses den svage vekselvirkning mellem grafit-lagene ved, at lagene let løsner sig fra stiften, når vi skriver, hvorefter de bliver til bogstaver på papiret. Grafit benyttes også til at fremstille vidundermaterialet grafen, som er ét atom tykt, langt stærkere end stål og en fantastisk leder af varme og elektricitet.

I det nypublicerede studie tager Brummerstedt Iversen og hans kollegaer udgangspunkt i titanium disulfide, et generisk van der Waals-materiale. Derfor kan resultaterne benyttes som udgangspunkt i forhold til alle materialer, der holdes sammen af van der Waals-kræfter.

”Resultatet tyder på, at interaktion mellem lagene er stærkere end hidtil troet. Det ser vi ved, at der i eksperimenterne er flere elektroner tilstede mellem lagene, end teorien siger,” fortæller CMC-centerlederen om målingerne, der er foretaget på røntgen-anlægget SPring-8 i Japan.

“Der kommer intet godt ud af et falsk grundlag” 
I studiet argumenterer centerlederen og hans kollegaer for, at når teorien ikke forudser elektrontætheden i materialerne korrekt, så kan man heller ikke stole på andre dele af teorien, som fx beskriver materialernes evne til at lede og transportere elektrisk energi. En vital egenskab i forhold til forståelsen af materialernes potentiale inden for energiforskning.

”Når teorien ikke passer ind i vores eksperimenter, så har vi heller ikke en korrekt model for van der Waals-materialer. Det er problematisk, for det er svært at udnytte de her materialer til noget samfundsmæssigt brugbart, hvis vi ikke forstår materialerne. Dermed er vi også fremadrettet nødt til at arbejde mod, at eksperimenter og teori stemmer overens. Der kommer intet godt ud af at arbejde ud fra et falsk grundlag,” forklarer Brummerstedt Iversen.



Nyhedsbrev