Hon skapar en genväg för uppfinnare

Efter år av experiment med tusentals olika material kunde Thomas Edison till slut framställa en glödtråd som gjorde glödlampan möjlig, ett klassiskt exempel på hur mödosamt det kan vara att utveckla ett nytt material.

– Edison fick använda sin intuition och pröva sig fram. Vår databas tar bort gissandet, säger Kristin Persson.

Hon forskar inom ett relativt nytt fält där superdatorer används för att räkna fram materialegenskaper. Forskning & Framsteg träffar henne i arbetsrummet på Berkeley-universitetet i USA. Här leder hon ett projekt som går ut på att skapa en databas över egenskaper hos såväl kända som helt nya material – Materials project.

Kristin Persson visar startsidan, som består av ett periodiskt system, och markerar några av de grundämnen som ska ingå i det material hon önskar. Sedan klickar hon i olika egenskaper – till exempel hur tätt, hårt och stabilt materialet ska vara, hur mycket det ska kunna töja sig i olika riktningar och hur god elektrisk ledningsförmåga det ska ha.

Upp kommer en lista med kandidater. För var och en går det att klicka fram mer information och snurra på en tredimensionell molekylmodell.

– Vi vill att databasen ska bli som ett Google för materialforskare.

Sedan projektet startade för sex år sedan har forskarteamet kartlagt 69 000 olika material och antalet växer hela tiden, liksom antalet användare. Målet är att öka innovationstakten, inte minst på energiområdet, där det pågår en intensiv jakt på bättre och billigare material till batterier, solceller och andra typer av material som har koppling till förnybar energi. Just batterier har en särskild avdelning i databasen, där det går extra snabbt att utvärdera olika kombinationer av material.

Kristin Persson berättar att forskare har hittat nya fotokatalytiska material med databasens hjälp, som kan spjälka vatten till vätgas och syrgas när solen lyser på dem. Ett annat exempel är ett nytt, lovande termoelektriskt material som kan omvandla värme till el. Kristin Persson hoppas att det ska leda till billigare sätt att ta till vara på spillvärme i framtiden.

Databasen bygger på kvantmekaniska beräkningar. Med hjälp av superdatorer byggs de olika molekylerna upp virtuellt, atom för atom, samtidigt som egenskaperna beräknas. Det är först under de senaste tio åren som datorerna har blivit tillräckligt kraftfulla och algoritmerna tillräckligt bra för att det ska gå att undersöka material i stor skala på det här sättet, förklarar Kristin Persson.

– Som doktorand på KTH ägnade jag ett år åt ett enda material. Nu kan jag kartlägga 20 000 på en dag, om jag får tillgång till en tillräckligt stor superdator.

Det är dock hård konkurrens om beräkningskraften. För det mesta får hon nöja sig med en liten del av superdatorerna på forskningslabbet Lawrence Berkeley national laboratory, där arbetet med databasen sker.

Idén till projektet föddes i samband med ett företagsuppdrag. Efter att ha disputerat flyttade Kristin Persson till USA och ägnade sig åt att kartlägga nya batterimaterial. En dag fick hon och hennes kollegor en fråga från ett stort företag som letade efter ett bättre alternativ till sina alkaliska batterier.

– De undrade om vi kunde beräkna och utvärdera alla världens kända material.

Företaget sköt till pengar och datorkraft. Forskarna räknade på 10 000 material och kom fram till en lista på 200 kandidater som de lämnade över till batteriföretaget.

– Samtidigt insåg vi att vi hade en fantastisk källa till information som inte bara teoretiska specialister kunde ha nytta av.

Nu har databasen 38 000 användare och nya tillkommer varje dag. Den är öppen för alla, även för forskare inom industrin.

Projektet är inriktat mot så kallade oorganiska material, i princip ämnen som inte innehåller kol. Runt om i världen finns fler grupper som kartlägger andra typer av material.

Än så länge finns vissa begränsningar. Det går till exempel inte att beräkna alla typer av egenskaper. Det finns också en fara med att förlita sig för mycket på datorn.

– Det måste vi vara på vår vakt mot hela tiden. Men ärligt talat så händer det att mätresultaten kan vara helt uppåt väggarna, även i labbet, säger Kristin Persson.

Att datorn pekat ut ett ämne som lovande är heller ingen garanti för att det är så i verkligheten, där det ska samspela med andra material. Och även material som visar sig fungera kan stupa på att de är för dyra att tillverka.

Å andra sidan har datorerna inga förutfattade meningar om vilka typer av ämnen som fungerar för en viss uppgift.

– Jag har fått en del aha-upplevelser. Det är inte alltid den struktur som jag trott ska passa som visat sig vara den bästa.

I Edisons fall var det just det som hände. Han var övertygad om att den bästa glödtråden borde bestå av förkolnade material. Därför missade han volfram, som senare visade sig vara överlägset den bambu som lyste upp hans första glödlampor. 

Tips! Leta efter egna material i databasen: materialsproject.org