Hun vil udforske potentialet i at bruge hyppigt forekommende metal

Man kender i dag til 118 grundstoffer her på Jorden. Nogle af dem er meget almindelige og findes lige rundt omkring os i rigelige mængder: f.eks. ilt, brint, kvælstof og kulstof. Andre er både ekstremt sjældne og ekstremt svære at udvinde - og samtidig ekstremt eftertragtede af industrien. Dette drejer sig f.eks. om ædelmetallerne ruthenium, iridium og osmium.

Mens efterspørgslen på de sjældne metaller bare stiger og stiger, fordi de er eftertragtede til fremstilling af diverse teknologier, – så vil deres lave forekomst fremadrettet give problemer for den globale forsyningskæde.

Årsagen til, at man ikke bare bruger de mere hyppigt forekommende metaller som jern, krom og mangan er naturligvis, at de ikke besidder de samme unikke egenskaber og dermed ikke kan bruges til de samme formål.

Men kunne det ikke være en ide at undersøge, om det er muligt at ”lære” de mere almindelige metaller som jern, krom og mangan at opføre sig som de sjældne og dyre grundstoffer, så man i mindre grad er afhængig af de sjældne grundstoffer, som måske ovenikøbet kun findes nogle få, potentielt problematiske steder i verden?

Det mener adjunkt i kemi, Christina Wegeberg, der nu med en bevilling fra Novo Nordisk Fonden i ryggen skal etablere sin egen forskningsgruppe på SDU og gå i gang med at nærstudere grundstoffet mangan – nærmere betegnet, om mangan kan bruges til at absorbere lys og omdanne det til energi (f.eks. sollys til elektrisk energi).

- Mangan er et af de allermest almindelige overgangsmetaller på Jorden. Jeg tror, mangan har et uset potentiale, altså at det besidder nogle egenskaber, som vi kan bruge til at høste sollys og omdanne det til elektrisk eller kemisk energi. Tænk, hvis vi kunne udskifte brugen af ædelmetaller som f.eks. ruthenium, iridium og osmium med mangan. Det ville klart føre til en mere bæredygtig løsning, siger hun.

Høste solens lys

Hvis det lykkes hende at tæmme mangan, kan det åbne op for et hav af meget forskellige anvendelsesmuligheder; f.eks. i tyndfilm-solceller eller i syntetisk medicinalfremstilling.

- Men hvilken anvendelse, min forskning helt specifikt kommer til at bidrage til, fokuserer jeg egentlig ikke helt så meget på. Allermest er jeg optaget af at afsøge, om det overhovedet kan lade sig gøre at bruge manganforbindelser til at høste lys – så må vi senere se på, hvordan vi bedst anvender det, når det er lykkedes, siger hun.

Det, som hun vil forsøge at få til at lykkes med mangan, er at bruge mangan til at høste lysenergi. Håbet er, at hun en dag kan lade solens lys (eller LED lys, laserlys eller anden lyskilde) skinne på et manganbaseret materiale, og så vil tilstedeværelsen af mangan i materialets struktur gøre det muligt at absorbere lyset og omdanne det til kemisk eller elektrisk energi, som så kan bruges til at drive andre processer. Med andre ord skal lys kunne aktivere en energiskabende proces i manganforbindelsen.

Naturen er eksperten

Dette princip kaldes fotoaktivering, og det er naturen som bekendt ekspert i – tænk blot på fotosyntesen, hvor planter optager solens lys og omdanner det til energi, som de kan vokse af.

Første step i udfordringen er at skabe den rigtige indpakning, som fotoaktiveringen af mangan kan foregå i, for det mangan, man udvinder fra en mine, kan ikke klare opgaven i sig selv. Iflg. Christina Wegeberg skal sådan en indpakning bestå af nogle stive skeletter af andre grundstoffer som kulstof, kvælstof og brint, såkaldte ligander. De skal være så stive, at manganatomet inde i indpakningen bliver holdt helt i ro og ikke taber energi til f.eks. molekylære vibrationer.

Håbet er, at liganderne kan bringe manganforbindelsen op i en højere energitilstand længe nok til, at man kan nå at høste de elektroner, som frigives, når manganforbindelsen aktiveres af lys. Elektronerne kan så f.eks. sendes videre til et elektrisk kredsløb og generere strøm eller overføres til et organisk molekyle, hvorved der sættes gang i en reaktion af et efterspurgt kemikalie. Det kunne f.eks. bruges til fremstilling af et lægemiddel.

Den bedste indpakning af mangan

Sådan lyder hypotesen. Om det rent faktisk kan lade sig gøre, skal Christina Wegebergs eksperimenter nu vise. Til at måle, hvor længe manganforbindelserne kan befinde sig i den højere energitilstand, har hun brug for et avanceret laserudstyr. Bevillingen fra Novo Nordisk gør det nu muligt for hende at anskaffe sig dette helt afgørende udstyr.

Hvis Christina Wegebergs forskningsgruppe en dag registrerer, at tiden i den højere energitilstand kan måles i nanosekunder, vil det være en sejr – i fotoaktiveringens verden er nanosekunder nemlig lang tid (et nanosekund er 0,000.000.001 sekund). Der er brug for at opnå en levetid på nanosekunder, da det er den tidsskala, hvorpå molekyler bevæger sig rundt.

Til sammenligning vil en ikke-optimal indpakning af mangan kun føre til, at manganforbindelsen befinder sig i den højere energitilstand i varigheder, der skal måles i femtosekunder (et femtosekund er 0,000.000.000,000.001 sekund).

Forskningsophold i Schweiz

Tidligere, under et forskningsophold på universitetet i Basel i Schweiz, har Christina Wegeberg arbejdet med grundstoffet krom og forsøgt nøjagtigt det samme: at fotoaktivere et hyppigt forekommende grundstof. Det er beskrevet i denne videnskabelige artikel.

Det lykkedes (varigheden kom op på 50 nanosekunder), og nu, hvor hun er klar til at starte sin egen forskningsgruppe, er valget faldet på mangan.

- Mangan ligger lige mellem krom og jern i det periodiske system, og de er placeret i den periode i det periodiske system, jeg interesserer mig for, fordi mange af disse overgangsmetaller er hyppigt forekommende. Nu har jeg arbejdet med krom i Schweiz, andre forskningsgrupper verden over arbejder med jern, og jeg tager nu mangan. Zink ligger også i den periode, det kunne også være interessant at kigge på en dag, siger Christina Wegeberg.

Hvis det lykkes Christina Wegeberg at tæmme mangan og bruge det til at omdanne lys til f.eks. elektrisk energi, vil det bæredygtige ikke kun bestå i at bruge et grundstof, der er almindeligt forekommende på Jorden og dermed gøre industrien friere af de sjældnere grundstoffer, som er dyrere og mere miljøbelastende at udvinde. Som hun siger:

- Det må alt andet lige være bedre at basere sine teknologier på grundstoffer, som vi har mange af her på Jorden.

Udviklingen af lysaktiverende materialer vil også betyde, at man i industrien kan udføre svære typer af syntesereaktioner under milde reaktionsbetingelser, da man udnytter energiinputtet fra lyset. De mildere reaktionsbetingelser betyder, at man får nogle helt nye muligheder for at modificere f.eks. biomolekyler, mens det højere energiinput vil gøre det muligt at nedbryde uønskede kemikalier, som det ellers er svært at komme af med. Det kunne f.eks. være til oprensning af drikkevand.