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.
I det dominerade sättet att mäta rankas länder på en skala där varje land ges en poäng för korruptionsnivån. Det kanske mest kända exemplet, bland flera andra liknande, är den internationella organisationen Transparency Internationals årliga mätning av korruption där länderna rankas på en skala från 0-100. Ju högre poäng desto mindre korruption i landet, enligt indexet. Huvudsakligen hamnar rika industrialiserade länder högt på listan medan utvecklingsländer hamnar i botten av listan.
Men jämförelsen mellan länder är problematisk eftersom den förenklar bilden av vad korruption är, menar Staffan Andersson, korruptionsforskare och docent i statsvetenskap. I hans senast publicerade forskningsartikel undersöker han korruption och hur den ofta tenderar att mätas. Framförallt är det mutor som är den korruptionsform som mätningarna fångar in. Samtidigt visar forskning att andra former av korruption är vanliga i demokratiska rika länder, som Sverige.
Korruption i annan form
− Ett problem med mätningarna är att de antar att korruption bara kan variera i omfattning men inte i form mellan länder. Eftersom mutor framförallt är den korruptionsform som mätningarna fångar in visas en skev bild av verkligheten. Korruption i rika länder förekommer ofta på annat sätt, säger Staffan Andersson.
I rika demokratier kan korruption till exempel handla om favorisering, bjudresor eller att tillsättning av tjänster inte går till på rätt sätt. Det handlar också ofta om mjukare typer av maktmissbruk, som är svårare att komma åt och upptäcka än mutor. Korruption är ett spektra där flera olika handlingar ingår och borde räknas in, menar Staffan Andersson.
Dessutom förändras synen på vad korruption är över tid, och en annan viktig skillnad mellan länder är att lagen skiljer sig åt. Vad som räknas som korruption i ett land kanske inte gör det i ett annat – vilket på så sätt gör det svårt att undersöka och jämföra korruption utifrån brottsstatistik.
− Idag finns inget självklart alternativ till den typ av mätning som Transparency International representerar när man ska försöka jämföra korruption länder emellan. Men mina resultat visar att bilden av korruption inte är enkel och att dessa mätningar behöver kompletteras av andra data om korruption som tar hänsyn till att korruptionens former varierar, säger Staffan Andersson.
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
Att skapa livsmedel till allt fler människor på jorden är en stor utmaning. Vi behöver hitta nya råvaror, produktionsmetoder och livsmedel som spar miljön och minskar utsläppen av växthusgaser.
Många spännande livsmedelsprojekt pågår som kan ge oss helt nya maträtter och vanor i framtiden. Innovatörer kan finna nya användningsområden för mat som nu slängs, och med ny teknik kan vi få tillgång till mer närodlat och därmed minska transporterna.
Att vi kan äta insekter istället för kött för att få i oss protein har de flesta hört talas om. I Danmark kan man nu köpa till exempel mjölmask, vaxmottslarver och gräshoppor i vissa mataffärer, men i Sverige är det än så länge förbjudet att sälja insekter i livsmedelsbutik. Forskaren Fredrik Gröndahl hoppas och tror att regelverket kommer att ändras:
− Insekter ger protein, växer väldigt fort och man kan snabbt få en stor produktion. Steget till att äta insekter kan visserligen kännas långt i Sverige, men människor i andra delar av världen har alltid ätit insekter. Jag tror att det är en vanesak, säger Fredrik Gröndahl som är docent i industriell ekologi vid KTH i Stockholm.
Alger odlas framgångsrikt i Sverige
Framtidens kost kommer förmodligen också att innehålla alger, och då gärna alger som inte transporteras långt. Fredrik Gröndahl är sedan några år projektledare för ett stort tvärvetenskapligt forskningsprojekt för algodling i Sverige. I projektet Seafarm provodlar forskare makroalger i Kosters skärgård på västkusten.
Ager är gott, alger är bra för hjärnan.
− Vi använder en brunalg som är vanligt förekommande på västkusten och hittills har projektet varit en stor framgång. Vi har lärt oss att odla algerna på ett bra sätt och våra alger används redan utanför vårt projekt. Vi säljer till olika krogar och livsmedelsproducenter, och i höstas serverades en rätt med våra alger på en Nobellunch. Det är bara fantasin som sätter gränser för vad man kan tillaga med alger, säger Fredrik Gröndahl.
Alger kan till exempel användas i grytor och ger då anrättningen en fylligare smak. De kan också torkas och malas till ett mineral- och vitaminrikt mjöl, och redan nu finns ett företag som tillverkar tångknäckebröd av Seafarms alger. Ett annat företag tillverkar ”tångrom” av dem, som ett alternativ till stenbitsrom för vegetarianer.
− I det asiatiska köket använder man samma sorts alger som vi odlar, till exempel i misosoppa och sjögrässallad. Algen i sjögrässalladen är visserligen grön, men det beror på att man färgat den. Den är egentligen brun.
Alger ger omega-3 för hjärnan Seafarm är hittills den enda algodlingen i Sverige, men i Asien odlas alger sedan länge. Där är alger basmat och en nyttig sådan. Alger innehåller kolhydrater, proteiner och omega-3-fettsyror som är viktiga för vår hjärna.
− Att fisk är nyttigt beror på att fisk äter alger, eller äter djur som ätit alger. Om vi äter alger istället för fisk, så får vi i oss de nyttiga fetterna direkt från källan, säger Fredrik Gröndahl.
I projektet Seafarm ska allt tas tillvara. Restprodukter från livsmedelsproduktionen ska användas för att tillverka till exempel bioplast, jordförbättringsmedel och biogas.
− Vi räknar med att den biogas vi utvinner kommer att kunna ge tillräckligt med energi för att driva hela processen, så att algodlingen blir klimatneutral. Odlingen kan också ge miljöförbättringar, eftersom algerna suger upp kväve och fosfor som läckt ut i havet, och skapar skrymslen för småfisk, säger Fredrik Gröndahl.
Alger bas för våra förfäders kost?
Ny forskning visar att det kan ha varit alger som våra förfäder i södra Afrika åt när deras hjärnor började utvecklas, inte fisk och skaldjur som man hittills trott.
Sammansättningen av den mänskliga hjärnan och vad som finns i alger överensstämmer väl. Dessutom finns det samband med alger och de bakterier vi har i magen.
Annat som talar för alger åts tidigare än fisk och skaldjur är att de helt enkelt är lättare att få tag i. Algerna kunde de tidiga människorna ju lätt bara vada ut och plocka.
Svenska lupiner är framtidens soja Lupinböna är en annan spännande råvara som har framtiden för sig. Bönorna är vanliga i Sydamerika och i norra Afrika där de äts som bland annat snacks, men i Sverige har vi ingen tradition av att odla dem. Det går dock utmärkt att odla lupinbönor här.
− Vi tog matlupin till Sverige för sju år sedan och odlar den framför allt i Skåne. Nu vill vi prova att odla matlupin i Mälardalen och längre norrut. Det ska bli intressant att se hur högt upp i Sverige vi lyckas, säger Tomas Erlandsson som är utvecklare på företaget Nordisk råvara.
Den lupin som blommar i våra trädgårdar är giftig och matlupin är en annan växt. Den har många egenskaper som gör den intressant som livsmedel.
− Lupinbönan har väldigt högt proteinvärde och innehåller mycket av de essentiella aminosyror som vi människor inte kan producera själva. Dessutom är den emulgerande och går därför att använda som ersättning för ägg och mjölk i matlagning. Av de baljväxter vi kan odla i Sverige är lupinbönan den som bäst kan konkurrera med soja som ersättning för animaliskt protein, säger Tomas Erlandsson.
Sojabönan trivs bättre i varmare klimat och är inte odlingssäker i Sverige. Eftersom soja måste importeras är det mer klimatsmart att välja närodlad lupin som alternativ till kött. Det minskar de globala transporterna och därmed koldioxidutsläppen.
Framtidens kost lär innehålla mer frukt och grönt än vi äter idag, både för klimatets och hälsans skull. I Sverige är dock odlingssäsongen kort och under stora delar av året är vi beroende av import för att få färska varor. Men så behöver det inte förbli. Forskare vid Lunds universitet har utvecklat en metod som gör att bladgrönsaker kan frysas in och tinas upp lika färska och fräscha som de var när de var nyskördade.
Svenska jordgubbar på vintern
Den korta odlingssäsongen i Sverige kan kompenseras med nya frysmetoder för att slippa långväga import av färska varor.
Forskare vid Lunds universitet har utvecklat en metod som gör att bladgrönsaker kan frysas in och tinas upp lika färska och fräscha som de var när de var nyskördade.
− Vi har hittills lyckats bra med spenatblad och ruccola. Förmodligen kommer ruccola som frysts med vår teknik att finnas i livsmedelsbutiker inom ett år, säger Federico Gómez som är docent i livsmedelsteknik och lektor vid Lunds universitet.
Normalt spränger iskristaller sönder cellerna i bladen när man fryser dem, men med Federico Gómez teknik tillförs cellerna ett frysskyddande ämne. Det heter trehalos och bildas naturligt i vissa insekter, svampar och grässorter.
− Vi har också arbetat en del med att frysa in bär och har lyckats bra med jordgubbar, särskilt de som är söta. De smakar och ser ut som när de var nyskördade och har samma näringsinnehåll, säger Federico Gómez.
Nya produkter av matavfall
Livsmedelsforskning som den i Lund kan alltså minska transporterna från sydligare breddgrader, men också minska svinnet i kedjan från jord till bord. Om salladen blir nedfryst direkt efter skörd hinner den inte bli dålig innan konsumenten ska äta den. Visst matavfall kommer dock alltid att finnas och även här gäller det att tänka nytt och klimatsmart.
− Matavfall är rikt på vitaminer, proteiner och fiber, och vi bör anstränga oss för att skapa nya produkter av det, säger Federico Gómez.
Som ett gott exempel nämner han Helsingborgsföretaget Rescued Fruit som tillverkar must och marmelad av skadad frukt som annars skulle ha slängts. Andra företag samlar in kasserat bröd från livsmedelsbutiker och bearbetar det till nya produkter. Möjligheterna är många.
− På en av mina kurser skapade studenterna bra livsmedel av övermogna bananer, bland annat bananmjöl och chips. Det handlar om att ge det näringsrika matavfallet ett nytt värde, säger Federico Gómez.
Trafikverket har i flera år finansierat forskning om infrastrukturens naturmiljöer genom forskningsprogrammet TRIEKOL, där flera SLU-forskare medverkat, vilket bland annat resulterat i rapporten ”Invasiva arter i infrastruktur”.
Den 4 april samlas experter från hela Sverige på SLU i Uppsala på ett seminarium för att diskutera problemen, kunskapsläget och erfarenheter från Europa, samt framtida åtgärder, forskning och utmaningar. Seminariet tar avstamp i rapporten.
Vägar och järnvägskanter drabbas
De invasiva arterna har förmågan att tränga ut inhemska arter och kan ibland även förändra miljön de har invaderat. Väg- och järnvägsmiljöer drabbas ofta hårt. Hanteringen av hur man begränsar arternas spridning har länge varit eftersatt i Sverige, men frågan har fått ett ökat intresse på sistone och flera satsningar pågår parallellt i Sverige och på EU-nivå.
I rapporten beskrivs de problematiska arterna som sprids inom infrastrukturmiljöer. Två av de som orsakar störst skada och som sprids snabbast är blomsterlupin, som medför stora konsekvenser och till och med kan förändra näringsförhållandena i marken, och jätteloka, som orsakar hudirritationer vid kontakt.
De flesta av våra invasiva arter har förts in i landskapet av människan, ofta som trädgårdsväxter eller ogräs i fröblandningar. Ibland sprids arterna till och med aktivt i infrastrukturmiljöer av människor med bristande kunskap om konsekvenserna.
Mer kunskap behövs
Jörgen Wissman är forskare vid Centrum för biologisk mångfald (CBM) vid SLU och författare till rapporten, tillsammans med bland andra SLU-kollegan Tommy Lennartsson.
– Det är inte många som förstår vilka problem man orsakar om man sprider frön och växtdelar i naturen, exempelvis sår in lupinfrön i vägkanten intill sommarstugan, säger Jörgen Wissman.
I dagsläget finns det inga bestämmelser om spridning eller bekämpning, inte ens för de mest problematiska arterna.
– Det innebär att spridningen fortsätter ohejdat och därmed ökar även de framtida samhällskostnaderna för en eventuell bekämpning, säger han.
Nationell svartlista föreslagen
Blomsterlupin, jättebalsamin, jätteloka, kanadensiskt gullris och parkslide är några av de mest spridda invasiva arterna i infrastrukturmiljöerna i Sverige. Här nedan listas några viktiga slutsatser från rapporten ”Invasiva arter i infrastruktur ”:
Blomsterlupin är ett av de allvarligaste hoten mot infrastrukturbiotoper i vissa landskap i Sverige, medan övriga studerade arter kan utgöra hot mer lokalt.
En nationell svartlista behövs för invasiva arter, där man gör skillnad mellan olika kategorier av problematiska arter. Det behövs även lättillgänglig information om alla invasiva arter.
Mer samordning mellan svenska myndigheter behövs, koordinerande arbete av en myndighet bör prioriteras. Det behövs en strategi för hotbedömning, prioritering och åtgärder.
Kontakt:
Jörgen Wissman, Centrum för biologisk mångfald, SLU, e-post: jorgen.wissman@slu.se, telefon: 018-67 22 25
