Dansker har udviklet verdens mest brudsikre glas
Morten Mattrup Smedskjær er en travl mand. I en alder af bare 35 år står den nordjyske kemiingeniør i spidsen for sin egen forskningsgruppe med ti medarbejdere, han er udpeget til professor på Aalborg Universitet og er førende inden for sit forskningsområde med 135 peer-reviewede forskningsartikler bag sig.
Og i denne uge har han så modtaget den prestigefyldte Grundfos-pris for sit banebrydende arbejde inden for glasforskning.
Selvom vi bruger glas til uendeligt mange formål i vinduer, smartphones og fiberoptiske kabler, så er glas på mange måder stadig et mysterium for materialeforskerne.
»Vi har et materiale, vi har brugt i tusindvis af år med mange forskellige anvendelser, mens der stadig er mange grundvidenskabelige spørgsmål, som er ubesvarede. Vi forstår eksempelvis langtfra overgangen fra underkølet væske til glas, og fordi glastilstanden ikke er i ligevægt, og strukturen er rodet på nanoskala, kan vi langtfra altid bruge de konventionelle beregningsmetoder,« siger Morten Smedskjær.
Han forsøger derfor at skabe orden i det kaos, som glassets struktur bedst kan beskrives som.
»Strukturen i glas er svær at forstå, fordi atomerne ikke sidder på rad og række, som de gør i et krystallinsk stof med en regelmæssig struktur. Vi er kemiingeniører, så vi går til opgaven ud fra den klassiske materialekemi-trekant, hvor vi undersøger den kemiske sammensætning, den atomare struktur, og glassets mekaniske, fysiske og kemiske egenskaber. Den trekant forsøger vi at forstå,« siger Morten Smedskjær.
Behandles glas under højt tryk, ændres den mikroskopiske struktur, hvilket fører til ændringer i de makroskopiske egenskaber. For at kunne udnytte de egenskaber og strukturer til at udvikle nye glasmaterialer, mangler der kvantitative forståelser af, hvorfor og hvordan glas reagerer på højt tryk.
Verdens mest modstandsdygtige
I 2017 publicerede Morten Mattrup Smedskjær og hans kolleger det opsigtsvækkende resultat, at de havde opdaget et nyt glasmateriale med verdens højeste brudsikkerhed – en glastype, der evner at tilpasse sin atomare struktur, når den udsættes for kraftige slag.
»Glas er kendetegnet ved at være sprødt, det har altså nemt ved at gå i stykker, selvom det er hårdt. I 2017 undersøgte vi de mekaniske egenskaber af forskellige materialegrupper og fandt en ny familie af glas med en meget høj revnemodstand. Hvis vi skal forstå, hvordan glas revner, skal vi forstå strukturer og egenskaber. På et atomart niveau opstår der meget høje spændinger, når glasset udsættes for kraftige påvirkninger, og det er glassets struktur, vi undersøger ved høje spændinger,« siger Morten Smedskjær.
Faktisk var det nye glasmateriale så brudsikkert, at Morten Mattrup Smedskjær og hans kolleger i første omgang ikke kunne måle modstandskraften, før de havde investeret i nyt og mere kraftigt måleudstyr. Så kunne de se, at modstandskraften er ca. 30 newton, før materialet rammer en modstandsdygtighed på 50 pct. mod revner.
Den nye viden kan ikke uden videre flyttes over i glasindustrien, men grundforskning i glasmaterialer kan på sigt betyde mere bæredygtigt og CO2-neutralt glas.
»Vores forskning kan bruges til at skære ned på brugen af råmaterialer, fordi vi forhåbentlig i fremtiden kan producere modstandsdygtigt glas, markant tyndere end det vi kender i dag, og samtidig bevare den mekaniske styrke. Tyndere glas kræver færre råmaterialer, der skal smeltes ved høje temperaturer, og det giver et lavere energiforbrug. Klimabelastningen ved transport bliver også mindre, hvis vi kan gøre glas tyndere,« siger Morten Smedskjær.
Glasset heler sig selv med vand
Senest har Morten Smedskjær og hans forskningsgruppe bygget videre på deres forskning og vist, hvordan det nye glasmateriale, der går under navnet cæsium aluminoborat-glas, også kan reparere sig selv, hvis det får ridser eller slår revner.
»Vi har bygget videre på den glasfamilie, vi har fundet, og undersøgt, hvordan vi kan bruge de høje spændinger, der opstår ved højt tryk, til at trække vand ud af atmosfæren og ind i glasset, så det, lidt populært sagt, heler sig selv,« fortæller Morten Smedskjær.
[box]
Du kan læse denne artikel, fordi du har abonnement på PLUS-indholdet på ing.dk.
[/box]
Forskningsresultaterne viser nemlig, at vand har en positiv effekt på materialets brudmodstand, så aftryk og ridser i overfladen ikke vokser, men derimod bliver mindre over tid, når vandet optages i glasset.
»Vi kan ikke reparere et glas, der er slået i tusind stykker, men snarere få en lille revne eller ridse til at vokse sammen,« siger han.
Det selvhelende glas kan man lige nu ikke gå ud og anvende i industrien, fordi det har en række andre egenskaber, der samtidig vil reducere holdbarheden og levetiden, medmindre processen kontrolleres, f.eks. med coating. Ingredienserne er også sjældnere og dermed dyrere.
De kommende år vil Morten Smedskjær i sin glasforskning arbejde på at kunne ændre glassets struktur, efter at det er dannet, og på eksisterende glasprodukter. Håbet er at kunne placere partikler i glasset, som kan bruges til at forbedre dets fysiske og kemiske egenskaber i en efterbehandling.
Udfordringen er, at hvis man i et glasmateriale placerer partikler større end bølgelængden på lys, så er materialet ikke længere transparent – man mister altså den formentlig største funktion ved glas.
»Vi håber at kunne styre nanopartikler, så de ikke spreder lyset. Vores idé er at lave mikrostrukturering af glasset, så strukturen er uordnet, men adskilt i to separate faser, med forskellige sammensætninger. På den måde håber vi at styre de mekaniske egenskaber,« fortæller Morten Smedskjær.
For at nå derhen vil han række ud til andre fagdiscipliner.
»Vi begynder at koble fagområder og metoder og involverer bl.a. fysikere, matematikere og statistikere og nye metoder inden for datadreven kunstig intelligens. Det kan nogle gange være en udfordring, både fagligt og helt lavpraktisk,« siger Morten Smedskjær med et smil.
