Det tunnaste materialet som hittills skapats, grafen, består av ett enda lager kolatomer. De bildar ett mönster likt hönsnät, fast bara ett atomlager tjockt. Materialet har flera unika egenskaper. Det är ungefär 200 gånger starkare än stål och samtidigt böjligt. Det är genomskinligt, men ogenomträngligt för både gaser och vätskor. Dessutom leder det elektricitet mycket bra. Idéerna kring hur nanomaterialet skulle kunna användas är många och det forskas intensivt kring möjliga framtida tillämpningar.
– Grafen är ett väldigt fascinerande material, och samtidigt mycket utmanande att studera, säger Mikhail Vagin, förste forskningsingenjör vid institutionen för teknik och naturvetenskap samt institutionen för fysik, kemi och biologi.
Utmaning En av faktorerna som gör det till en stor utmaning att förstå hur grafen fungerar på atomnivå är att det är vad man kallar för ett anisotropiskt material. Det betyder att materialets egenskaper kan skilja sig åt beroende på om man mäter över kolatomskiktets plana yta eller över kanten. Forskarnas ansträngningar för att förstå vad som händer i grafen på atomnivå kompliceras dessutom av att det finns olika sätt att framställa grafen. Egenskaperna hos grafen i små flagor, med många kanter, skiljer sig på en del sätt från grafen som skapats som kvadratcentimeterstora sjok. Beroende på vilken typ av grafen som studeras kan materialet uppträda på olika sätt.
Forskarna bakom studien använde grafen som skapats på en skiva av kiselkarbid genom en process som utvecklats av forskare vid Linköpings universitet. När kiselkarbid värms upp till 2 000 °C övergår kiselatomer på ytan i gasform och endast kolatomerna blir kvar. På grund av den höga kvaliteten av grafenlagret reagerar materialet extremt långsamt med omgivningen, medan många tillämpningar är beroende av kontrollerad interaktion mellan materialet och andra ämnen, så som gasmolekyler. Inom forskningsfältet pågår en diskussion om huruvida det går att aktivera grafen på ytan eller om kanter behövs. För att förstå mer om hur grafen fungerar undersökte forskarna vad som händer när man på ett kontrollerat sätt skapar defekter i ytan.
– Anodisering är en elektrokemisk process som bryter sönder grafenlagret så att det skapas fler kanter. Vi mätte egenskaperna hos anodiserat grafen och såg att materialets förmåga att lagra elektricitet blev många gånger högre, säger Mikhail Vagin.
Öppnar möjligheter Det behövs vidareutveckling för att kunna tillämpa den nya kunskapen och få det att fungera i större skala. Forskarna har flera spår som de vill följa upp.
– Grafen på kiselkarbid går att göra över en större area än andra grafentyper. Om man kan påverka materialets egenskaper på ett kontrollerat sätt kan det bli möjligt att skräddarsy ytan för olika funktioner, exempelvis så att den kan fungera som en sensor som har ett eget batteri, säger medförfattaren Mikael Syväjärvi, förste forskningsingenjör vid institutionen för fysik, kemi och biologi och en av grundarna till Graphensic AB som kommersialiserar grafen på kiselkarbid.
Resultaten utvecklades som följd av ett examensarbete med samarbete mellan Graphensic och forskarna vid Linköpings universitet.
Artikeln: Monitoring of epitaxial graphene anodization, Mikhail Yu. Vagin, Alina N Sekretaryova, Ivan G. Ivanov, Anna Håkansson, Tihomir Iakimov, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova, Ingemar Lundström, Mats Eriksson, (2017) Electrochimica Acta, 238, 91-98; publicerad online 4 april 2017, doi:
Växtodling i skyskrapor och kött utan djurhållning låter fortfarande som science fiction, men kan bli självklarheter i framtiden. I Linköping byggs snart ett kombinerat växthus och kontorshus i sjutton våningar, med kontor åt norr och odling mot söder. Här kan mycket mat att odlas nära människor och husets båda sidor hjälper varandra. Syre förs från växter till människor, och koldioxid och överskottsvärme leds i motsatt riktning.
En forskare som tror att vi kommer att få se mer av sådana smarta lösningar framöver är Julie Gold. Hon är docent vid Institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola och forskare i biovetenskap.
─ Genom att odla i höghus får vi mer odlingsyta. Vi kommer också att odla på husväggar i städer och inomhus i våra hem. Det finns till exempel restauranger som odlar örter på väggarna redan idag, säger hon.
Behovet av innovation är stort eftersom dagens livsmedelsproduktion tar mycket mark, vatten och energi i anspråk. Julie Gold tycker att vi till exempel kan hämta inspiration från hur bondgårdar drevs förr i tiden, när allt togs tillvara på ett eller annat sätt:
─ Ny teknologi gör det möjligt att få ut maximalt av det vi har. Det finns till exempel nya system för att använda urin för att gödsla växter.
Nya grönsaker med genteknik Växtforskaren Stefan Jansson vid Umeå universitet tror att vi kommer att äta en hel del nya grödor i framtiden, som gjorts nyttigare för oss eller bättre för miljön. Det kan till exempel vara grönsaker som innehåller mer vitaminer, behöver mindre vatten eller inte blir angripna av insekter. Mycket kan hända om reglerna för GMO ─ genmodifierade växter ─ ändras.
─ Forskarna har gjort enorma framsteg de senaste femton åren när det gäller växtförädling med genteknik, men tyvärr går kunskapen inte att tillämpa. Idag är det i praktiken förbjudet att odla växter som klassas som GMO utanför laboratoriet, på grund av att tillämpningen av regelverket är så strikt. Några sorter av majs, sojaböna och raps som tagits fram i teknikens barndom under 1990-talet har dock tagit sig genom nålsögat utanför EU och fått en enorm spridning där, säger Stefan Jansson som är professor i växters cell- och molekylärbiologi.
En del nya grödor är färdiga att odlas så snart förbudet upphävs. Stefan Jansson nämner till exempel ”gyllene ris” som är ett gult genmodifierat ris. Det innehåller vitamin A och är framtaget för att minska risken för A-vitaminbrist i fattiga länder. För våra breddgrader finns en genmodifierad potatis som kan odlas helt utan bekämpningsmedel, eftersom dess arvsmassa tillförts en bit dna från en potatisart som inte angrips av insekter.
─ Det är absurt att den potatisen inte får odlas i Sverige, men jag är övertygad om att förbudet är borta om 20-30 år. Alla stora forskningsorganisationer säger att det inte finns några risker med GMO, säger Stefan Jansson.
Tillåtet att ta bort dna i Sverige
Lagstiftningen ser idag olika ut beroende på om en bit dna lagts till, eller tagits bort i en växts arvsmassa.
─ När en bit dna läggs till i växtens arvsmassa räknas växten som GMO och är i princip förbjuden, men när bara en bit dna tas bort är situationen kanske annorlunda. I EU funderar man på hur man ska göra med sådana växter, men i Sverige bestämde Jordbruksverket för ett drygt år sedan att de inte räknas som GMO och därmed är tillåtna. Det skapar fantastiska möjligheter, säger Stefan Jansson.
För att ta bort en bit dna ur en växts arvsmassa används genkniven CRISPR. I somras odlade Stefan Jansson kål som modifierats med CRISPR i sin egen trädgård. Han åt kålen och var inte ett dugg orolig:
─ När man tar bort en bit dna med genkniven blir växten till 100 procent identisk med en växt där motsvarade bit bort fallit bort naturligt. Sådant sker då och då, och naturliga mutationer har använts för växtförädling i alla tider. Om du såg föregångarna till de växter vi odlar idag, så skulle du inte känna igen dem.
Vad är CRISPR?
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) är en teknik som används för att göra riktade förändringar i arvsmassan. Tekniken bygger på en metod som många bakterier använder sig av för att skydda sig mot till exempel virusangrepp.
Först binder en målsökande RNA-molekyl till en specifik del i virusets arvsmassa. Sedan klipper ett enzym, som kallas Cas9, itu arvsmassan bredvid den plats i där RNA-molekylen har bundit. På detta sätt oskadliggörs viruset. Detta system används i en modifierad form för att på olika sätt förändra arvsmassan i en rad olika organismer, allt från bakterier till växter.
Med CRISPR/Cas9 kan forskare antingen byta ut en av de miljarder ”bokstäver” som finns i en organisms genom (hela arvsmassan som består av DNA) eller ta bort korta snuttar, ungefär som när man ändrar en skriven text i en ordbehandlare. Det kallas ”genom-editering eller ”genom-redigering”.
Mindre växthusgas med odlat kött Kanske kommer köttproduktionen också förändras radikalt framöver. En stor drivkraft till förändring är att dagens produktion av kött står för drygt fjorton procent av de globala utsläppen av växthusgaser. En framtidslösning skulle kunna vara att odla kött istället för att föda upp djur. Redan nu är det möjligt att odla små mängder levande muskelceller från till exempel ko, gris eller kyckling i laboratorium. Det berättar Mats Stading som är professor i materialteknik vid RISE – Research Institutes of Sweden:
─ Att odla muskelceller i en ren petriskål är inte så svårt. Det svåra är att skala upp produktionen. Den hamburgare som visades upp för några år sedan hade kostat 2,5 miljoner kronor att ta fram. Köttet var odlat i massor av petriskålar, säger han.
Givmilda miljardärer finansierar nu privata forskningsprojekt och företag i USA och Holland. Nyligen visade ett av företagen upp en bit friterat odlat kycklingkött och förra året presenteras en odlad köttbulle.
─ Tyvärr avslöjar de här forskarna inte hur de gjort, men jag tror att det dröjer länge innan vi får se odlat kött i vanliga livsmedelsbutiker, säger Julie Gold vid Chalmers.
Odla muskelceller på grönt
Forskaren Mats Stading var nyligen projektledare för ett svenskt projekt som syftade till att odla kött på ett nytt sätt. Projektet hette ”Smat ─ Smart mat av havre och odlade muskelceller”.
─ Vår idé var att ta fram ”kött” där den största delen av ”köttbiten” inte bestod av muskelceller utan av annat protein. Vi odlade muskelceller på en bärare av gröna proteiner från till exempel ärtor eller majs. Muskelcellerna var så att säga grädden på moset, det som gjorde produkten mer köttlik, säger han.
Projektet avslutades hösten 2016 och gick både bra och dåligt.
─ Vi visade att det går bra att odla muskelceller på en struktur av proteiner från majs och ärta. Muskelcellerna växer till bra och bildar ett kontinuerligt nätverk, säger Mats Stading.
Tyvärr gillar bakterier samma förhållanden som muskelceller. Det man odlar på måste vara väldigt rent.
─ För att få bara muskelcellerna att växa till var vi tvungna att odla med antibiotika, så det behövs mer forskning innan det blir något ätbart.
Lättare att odla köttfärs
Forskningen på odlat kött handlar hittills om att få fram småbitar av kött, att odla köttfärs. Att odla en biff ligger betydligt längre fram. I en biff finns ju inte bara muskelceller, utan också bindvävnad, fett och blodkärl, som ger tuggmotstånd och smak.
Julie Gold funderar över hur långt utvecklingen av odlat kött behöver gå:
─ Vill människor äta kött i framtiden, när vi kan få i oss allt vi behöver med vegetarisk kost? Det finns ju många vegetariska alternativ som liknar kött, till exempel Oumph av soja, säger hon.
Julie Gold tror att köttätandet kommer att minska och tycker att den stora frågan är vilka proteinkällor vi kommer att ha i framtiden.
─ Det bästa vore om vi bara åt kött från djur vid speciella måltider och högtider, och odlat kött och vegetariskt baserade alternativ till vardags, säger Julie Gold som även hon var verksam i projektet Smat.
Förutom att odla muskelceller ägnade sig forskarna där åt att ta fram en helt vegetarisk produkt, med protein från havre, ärtor och hampa. Mats Stading berättar:
─ Vi fick fram en fibrös struktur som liknar kycklingkött. Sådan forskning är inte lika spektakulär som att odla kött, men väldigt användbar. Det räcker med 150 gram om dagen av vår vegetariska produkt för att få i sig allt protein man behöver, inklusive de essentiella aminosyrorna. Det är den typen av ny mat som kommer att göra skillnad på jorden, inte odlat kött, säger han.
Skriva ut pizza för astronauter
När råvarorna väl är framtagna kan en del av dem komma att passera en 3D-skrivare innan de läggs på våra tallrikar i framtiden. Bland annat pågår forskning för att kunna skriva ut pizza för astronauter och soldater. Vi kan redan köpa 3D-skrivare som tillverkar dekorationer av choklad eller socker till bakverk, och snart kanske vi skriver ut vår egen pasta hemma, i den form vi önskar för dagen. Mats Stading tror dock att det dröjer innan 3D-skrivare för mat kommer på bred front.
─ 3D-skrivare är en fantastisk teknik för att göra komplexa strukturer, men den är långsam och dyr. I ett projekt på RISE tittar vi på hur 3D-skrivare skulle kunna användas för att anpassa mat till äldre som har svårt att tugga eller svälja. Man vill ju servera dem mat som är så lik vanlig mat som möjligt, men som faller sönder i munnen. Då är det bra att kunna sätta en patron med broccolimos i skrivaren och kunna skriva ut något som ser ut som broccoli, säger han.
Med atomupplöst elektronmikroskopi har forskare vid Linköpings universitet för första gången fångat ett fenomen, som under många årtionden har gäckat materialforskare. Studien publiceras i Naturetidskriften Scientific Reports.
I en del sammanhang är det väldigt viktigt att gränser upprätthålls. Tunnfilmsmaterial, som består av extremt tunna lager av olika material, är ett exempel på det. Det är välkänt att atomerna kan röra sig, eller diffundera på olika sätt, i material. Ett av diffusionssätten har länge varit ett teoretiskt koncept som föreslogs redan på 1950-talet, men har gäckat materialforskare sedan dess.
Forskare har hittills använt teoretiska modeller och indirekta metoder för att beskriva fenomenet, som kallas dislocation-pipe diffusion.
Lagren är 5 miljarddels meter tjocka
Nu har forskare vid Linköpings universitet och University of California i Berkeley observerat den svårfångade förflyttningen av atomer mellan lagren i en tunnfilm. De använde skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) med så hög upplösning att det går att se hur de enskilda atomerna är placerade i materialet.
Forskarna detaljstuderade en tunnfilm där metallen hafniumnitrid (HfN) varvas med halvledarmaterialet scandiumnitrid (ScN) i lager som är runt 5 miljarddels meter tjocka.
HfN/ScN-tunnfilmens egenskaper gör den till en lämplig kandidat för användning i exempelvis beläggningsteknik och mikroelektronik. Då är det mycket viktigt att lagren av metall och halvledare inte blandas. Om atomer rör sig så långt att det bildas en bro mellan lagren i filmen kan det bli problem, ungefär som kortslutning i en elektrisk krets.
Atomerna vandrar i nästan alla material
– Materialet som vi har tittat på i den här studien fungerar som ett perfekt modellsystem, men den här typen av diffusion sker i nästan alla material. I alla elektroniska komponenter i mobiltelefoner, datorer och liknande konstruktioner har vi metaller och halvledare. Därför är det viktigt att inom materialvetenskapen förstå den här sortens diffusion, säger Magnus Garbrecht, biträdande universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet.
Upptäckten som beskrivs i studien kom till när Magnus Garbrecht värmde upp HfN/ScN-tunnfilmen till 950° C och märkte att hafnium gick ner i underliggande lager. Det visade sig att det fanns en defekt i materialet just där fenomenet uppstod. Forskarna värmde upp materialet flera gånger, undersökte det med STEM-mikroskopi och mätte hur långt enskilda atomer rörde sig.
– Våra mätvärden passar bra med värden från tidigare experiment med indirekta metoder och teoretiska modeller, vilket styrker att det vi ser verkligen är dislocation-pipe diffusion, säger Magnus Garbrecht.
Strävar efter kubisk struktur
Forskarna bakom studien lägger fram en förklaring till varför atomerna vandrar när materialet värms upp. Vid de linjära defekterna är de enskilda atomerna förskjutna i förhållande till varandra. Atomerna strävar efter att vara placerade i en perfekt kubisk struktur och när ordningen rubbas uppstår en anspänning. I studien visar forskarna att spänningarna i materialet blir mindre och mindre när atomerna diffunderar.
– Diffusionen leder till att spänningarna i materialet minskar och det förklarar varför det bara sker längs linjära defekter, säger Magnus Garbrecht.
Medförfattaren Bivas Saha vid University of California och Magnus Garbrecht har nyligen fått forskningsmedel från Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning, STINT, för att utveckla samarbetet. Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material (AFM) och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.
Samtidigt med de årliga rapporterna om rekordtemperaturer i arktiska områden har en rad mätstationer som följer sötvattensflödena i arktiska områden lagts ned. Utan långsiktiga mätningar är vi svarslösa när klimatet förändras, menar forskarna.
Hjalmar Laudon mäter grundvattennivån på Kallkälsmyren i Krycklan. Foto: Jenny Svennås-Gillner, SLU
Idag ser vi snabba och ofta dramatiska förändringar i sötvattensmiljöer orsakade av det förändrade klimatet. För att förstå och förutsäga dessa förändringar i Arktis och de nordliga delarna av barrskogsområdet är forskarna beroende av långa mätserier av hydrologiska och vattenkemiska forskningsdata. I norra Europa återstår idag endast en mätstation med fullständigt kompletta tidsserier – Svartberget/Krycklan utanför Vindeln.
Hjalmar Laudon, professor på SLU, är oroad över situationen:
– Samtidigt som vi börjar se allt snabbare förändringar i den hydrologiska cykeln i norr så upptäckte vi att ett stort antal mätstationer har lagts ner de senaste årtiondena. Eftersom ett mätvärde som inte samlats in är förlorat för alltid, så försitter vi chansen att upptäcka förändringar i tid, säger Hjalmar Laudon.
Ökat läckage av näringsämnen
Tack vare de mätstationer som finns i norr har forskarna kunnat göra observationer av de rekordhöga temperaturerna och deras effekter. Höjda temperaturer har påverkat hela den hydrologiska cykeln med kortare och mildare vintrar. Detta har lett till att snötäcket och permafrostens utbredning och varaktighet drastiskt håller på att förändras, något som i sin tur har medfört ökade vattenflöden vintertid och ökade läckage av näringsämnen.
Mest allvarligt är de observerade förändringarna i transporten av organiskt kol i sjöar och vattendrag. Jordlagren i norr har byggts upp under tusentals år och innehåller idag stora mängder organiskt kol i form av myrmark. Det kalla klimatet har gjort att nedbrytningen har gått långsamt och att kollagren därmed har varit förhållandevis stabila, men med varmare temperaturer tinar marken och kolet börjar brytas ner och transporteras ut i vattendragen i allt större utsträckning. Av ännu oförklarad anledning verkar dessa nordliga marker dessutom vara mer känsliga för uppvärmning än motsvarande på mer sydligare breddgrader.
Långa serier för att se det utanför naturlig variation
De av människan skapade förändringarna lägger sig ofta ovanpå en naturlig variation, vilket kan göra dem svåra att upptäcka. Därför är det viktigt att fortsätta samla in data till de långa tidserierna, som i vissa fall sträcker sig flera årtionden bakåt i tiden. När uppvärmningen fortgår kan vi förvänta oss resultat som ligger utanför det som kan anses vara naturlig variation, vilket på sikt kan få katastrofala följder.
– Att mätstationer läggs ner är väldigt olyckligt och leder till att vi forskare inte kan bidra med vetenskapligt underbyggda underlag när klimatpolitiska beslut ska fattas. Som tur är finns det fortfarande några delar att rädda, men det kräver att finansieringen av de mätstationer som fortfarande är aktiva faktiskt fortsätter, säger Hjalmar Laudon. Det är också glädjande att det startar nya mätserier på vissa platser, bland annat i Abisko och Tarfala, men det tar lång tid innan de blir riktigt värdefulla.
Sammantaget har mer än hälften av de hydrologiska mätstationer som funnits i eller i närheten av arktiska områden lagts ned, och 40 procent av nedläggningarna har skett sedan år 2000.
Kontakt: Hjalmar Laudon, professor i skogsmarkens biogeokemi, institutionen för skogens ekologi och skötsel, SLU. Hjalmar.laudon@slu.se, 070-560 66 25
Artikeln: Hjalmar Laudon, Christopher Spence, Jim Buttle, Sean K. Carey, Jeffrey J. McDonnell, James P. McNamara, Chris Soulsby & Doerthe Tetzlaff. Save northern high-latitude catchments. Nature Geoscience 10, 324–325. (May 2017). DOI:doi:10.1038/ngeo2947
– Varje fisk som inte syns i den årliga beståndsuppskattningen kan inte heller bidra till prognosen för beståndsutvecklingen. Vi samlar därför in längd-, vikt- och åldersdata för fritidsfångad fisk längs Skånes väst- och sydkust. Det är viktigt att samla in data på faktorer som påverkar dödligheten av fisk, för att kunna förutspå beståndsutvecklingen, säger Andreas Sundelöf, ansvarig för datainsamlingen vid havsfiskelaboratoriet på institutionen för akvatiska resurser (SLU Aqua).
Inför 2017 beslutade EU att minska uttaget av torsk i Östersjön. Begränsningarna omfattar främst yrkesfisket där torskkvoterna i delar av Östersjön halverades. Men även fritidsfisket berörs, eftersom fritidsfiskets fångster kan vara så stora som 30 procent av de totala fångsterna.
EU:s beslut om fiskekvoter och uttag grundas på vetenskaplig rådgivning från Internationella havsforskningsrådet ICES. I ICES beståndsuppskattning av torsk i västra Östersjön ingår numer också fritidsfiskets fångster, men i Sverige är dessa fångster ännu bristfälligt dokumenterade. Fritidsfisket har inte rapporteringsskyldighet, och tidigare datainsamling har inte varit tillräckligt detaljerade eller något krav från EU.
Sedan årsskiftet besöker personal från SLU Aqua hamnar, pirar och turbåtar längs Skånes syd- och västkust för att förstå när, var och hur mycket torsk av vilka storlekar som fiskas av fritidsfiskare.
– Utmaningen är att vara på tillräckligt många platser tillräckligt ofta. Särskilt utmanande är det under vinterhalvåret när fisket är glest. Provtagningen skulle förbättras om vi kunde komma i kontakt med vinterfiskande fritidsfiskare som kan tänka sig att föra fångstdagbok åt oss, säger Andreas Sundelöf.
För mer information:
Andreas Sundelöf, Institutionen för akvatiska resurser, SLU, andreas.sundelof@slu.se, 010-478 40 69
Behovet av innovation är stort eftersom dagens livsmedelsproduktion tar mycket mark, vatten och energi i anspråk. Julie Gold tycker att vi till exempel kan hämta inspiration från hur bondgårdar drevs förr i tiden, när allt togs tillvara på ett eller annat sätt:
En del nya grödor är färdiga att odlas så snart förbudet upphävs. Stefan Jansson nämner till exempel ”gyllene ris” som är ett gult genmodifierat ris. Det innehåller vitamin A och är framtaget för att minska risken för A-vitaminbrist i fattiga länder. För våra breddgrader finns en genmodifierad potatis som kan odlas helt utan bekämpningsmedel, eftersom dess arvsmassa tillförts en bit dna från en potatisart som inte angrips av insekter.
För att ta bort en bit dna ur en växts arvsmassa används genkniven CRISPR. I somras odlade Stefan Jansson kål som modifierats med CRISPR i sin egen trädgård. Han åt kålen och var inte ett dugg orolig:
