Dynamo 46

D E T B L I ’ R T I L N O G E T

46

09

16

DA N M A R K S TE K N I S KE U N I VE RS I TE T

MAX IV TE M A

Vi stiller skarpt på det kæmpestore røntgenanlæg i Lund, hvor man kan studere nogle af de mindste bestanddele – atomerne i et molekyle.

GENS EKVE NTE RI N G

Smittesporing med supercomputer VEJEN TI L BEDRE K RÆFT B E H A NDL I N G

MIKRO­­ROBOTTER FREMTI DENS A NT I B I OT I KA :

Ultraviolet lys NANOMATE RI ALE R

HER BYGGER DE MED ATOMER

H AVAR D - P RO F E S S O R O M U N IVE RSITETSFORSKNINGEN:

”Mange holder sig til det sikre. Jeg mener, at tiden netop kalder på det modsatte.”

02

LE DE R

IN D H O L D

Anders Bjarklev Rektor

10

Solid opbakning til ESS og MAX IV Har verdens mest kraftfulde neutron- og røntgenmikroskoper i Lund – the European Spallation Source (ESS) og MAX IV – noget med DTU at gøre? Ja. For selvom vi allerede har en bro over sundet til biler og tog, har danske virksomheder brug for en helt anden slags bro, nemlig det forskningssamarbejde, som kan skabe nye og forbedrede produkter baseret på resultater fra disse to store forskningsfaciliteter.

DTU er med til at bygge broen mellem Lundfaciliteterne og dansk erhvervsliv. Store virksomheder såvel som små.

Vi har allerede været i gang med brobyggeriet i et par år gennem vores 3D Imaging Center.

Her har forskere samarbejdet med bl.a. Tetra Pak for at afklare, hvordan Lund-faciliteterne kan hjælpe virksomheden med at forbedre dens emballageprodukter. Det kan du læse mere om i dette nummer af Dynamo.

Samarbejdet med Tetra Pak er udsprunget af det nye samfundspartnerskab LINX (Linking Industry to Neutrons and X-rays), som er ledet af DTU. Her samarbejder vi på tværs af universiteter, regioner og fagområder, for at dansk erhvervsliv kan få maksimalt udbytte af de unikke forskningsfaciliteter i Lund. Her kan industrivirksomheder uanset størrelse i samarbejde med DTU opnå unik viden om materialer, komponenter eller bioteknologiske produkter – en viden, der kan medvirke til bringe dem forrest i den internationale konkurrence.

DTU er også i fuld gang med at konstruere en såkaldt beamlinje på MAX IV i et natio­ nalt samarbejde, der også er beskrevet i dette nummer.

DTU’s brobygning til Lund-faciliteterne bliver også afspejlet på vores campus i Lyngby, hvor vi opfører en ny forsknings- og laboratoriebygning på 10.500 m2. Nogle af disse kvadratmeter bliver tilegnet 3D Imaging Centeret.

Vi forventer at slå dørene op til disse nye faciliteter i 2019. Samme år som ESS åbner i Lund som verdens kraftigste neutronkilde.

TEMA MAX IV

09 NYT OM U D DAN N E LS E

Viden om usynlige strukturer giver nye materialer Danmark får sin egen andel af det enorme røntgenanlæg i Lund, MAX IV, som netop er åbnet. Det giver nye muligheder for produktudvikling for danske virksomheder.

14 IN N OVATION

Røntgen bag bedre mælkekartoner Emballage er ikke bare emballage.

En mælkekarton er f.eks. et avanceret sandwichmateriale, som man kan studere vha. røntgenmikroskopi.

04 G E N S E KVE NTE R IN G

Bedre smittesporing med supercomputer Ph.d.-studerende hjælper dansk mink­industri i kampen mod frygtet virus, der kan true en millardeksport.

13 M ATE R IALE ­ FO RS K N IN G

Hvad kan røntgenmikroskopi bruges til?

Materialer med nye egenskaber kan skabe nye produkter for en lang række områder lige fra medicin til vindmøller.

18 A RKITEKTU R

Pukkelpister dæmper vibrationer fra motorvej Det norske arkitektfirma Snøhetta står bag det helt særlige, vibrationsdæmpende landskab rundt om røntgenanlægget MAX IV i Lund.

DYNAM O

46

09

1 6

03

UDGIVER Danmarks Tekniske Universitet Anker Engelunds Vej 1 2800 Kgs. Lyngby tlf. 45 25 25 25, dtu.dk ANSV. CHEFREDAKTØR Tine Kjær Hassager REDAKTØR Louise Simonsen, tlf. 45 25 78 41, lois@adm.dtu.dk ABONNEMENT dynamo@dtu.dk Magasinet udkommer fire gange om året DESIGN & PRODUKTION Datagraf Communications

30

24 N Y DATA BA SE

Kend kemien på sekunder Viden om alverdens kemikalier og deres virkning er nu samlet i en ny, brugervenlig database.

Den er gratis og åben for alle.

ISSN 1604-7877 FORSIDEFOTO Perry Nordeng

CE LLE FABR IK KE R

Hamsterceller producerer medicin PÅ DTU Biosustain er man i fuld gang med at få celler til at producere medicin.

41 LE D - TE K N OLOGI

27

Ultraviolet lys kan blive fremtidens antibiotika I samarbejde med tandlæger har DTU-forskere påvist, at uv-lys kan bekæmpe sejlivede bakterier.

N YT O M STA RT UP S

40 NYT OM FO RS K N IN G S BASERET R ÅD G IVN IN G

33 BIO FOTO N IK

36

Laserstyrede mikrorobotter udforsker celler

22 KIG INDEN FOR PÅ DTU

Her er DTU’s miniMAX IV.

28 GRA FE N

Ny metode til at bygge med atomer DTU-forskere har været med til at udvikle en ny metode til at ’bygge’ med atomer.

Ultrasmå dronelignende robotter kan opsamle, transportere og aflevere stoffer i biologiske celler.

De kan bane vejen for f.eks. bedre kræftbehandling.

INTE RVIE W

Kemikere skal da opfinde robotter

Havard-professor Georg Whitesides gør op med vanetænkningen på universiteterne.

44 ZOOM

På bagsiden går vi helt tæt på ... tjah, hvad er det egentlig?

04

SUP E RCO M P UTE R

G EN S EKVENTER I N G

Kopenhagen Fur Kopenhagen Fur er verdens største auktionshus for pels med en global markedsandel på 60 procent. Kopenhagen Fur er et andelsselskab ejet af de danske minkavlere (Dansk Pelsdyravlerforening). Fem gange om året holdes der auktion i auktionshuset i Glostrup for 400-800 købere. Før hver auktion er der fem-seks dages eftersyn, hvor opkøberne inspicerer og vurderer skindene. Hver salgssæson strækker sig fra december, hvor skindene er nypelsede, til september, hvor de sidste skind sælges.

Kopenhagen Furs omsætning var på 10,9 mia. kr. i 2014/15.

KILDE: KOPENHAGEN FUR

Bedre smittesporing med supercomputer Dansk minkindustri får nu hjælp i kampen mod en frygtet virus, der kan true Danmarks milliardeksport af minkskind.

I b en Julie S chm id t I b en Julie S chm id t, S hu tterstoc k

I

en industribygning i Glostrup er der hektisk aktivitet. Inde bag murene blinker lysende tal, og ivrige hænder vifter i luften, mens mange forskellige sprog blander sig med lyden af gentagne hammerslag.

Det er auktionsdag i verdens største auktionshus for minkskind. Det store auktionslokale er fuldt af internationale skindopkøbere, fortrinsvis fra Kina.

De kommer til Glostrup, fordi netop danske mink er kendt for at være af den fineste kvalitet i verden.

En af årsagerne til skindenes høje kvalitet er, at Danmark som et af de eneste lande i verden har formået at holde de fleste minkfarme fri for sygdommen plasmacytose. Plasmacytose er en virus, som rammer især mink og bl.a. medfører øget dødelighed hos

DY NAM O

46

09

16

DTU

05

”Danmarks status som verdens eneste land stort set uden plasmacytose har været en væsentlig del af forklaringen på den succes, vores branche har opnået” LE I F B R U U N , D I RE C TO R , KO P E N H AG E N F U R

Minkproduktion Danmark er en af verdens største producenter af minkskind med en årlig produktion på 18,6 mio. skind.

Minkskind udgør 1/3 af den samlede danske eksport til Kina og Hongkong og er den varegruppe i den danske eksportstatistik, der har den største verdensmarkedsandel, p.t. omkring 30 procent. 6.000 mennesker er direkte beskæftiget med minkavl i Danmark. De danske minkavlere producerer de bedste minkskind i verden og får en højere gennemsnitlig skindpris end konkurrerende minkavlere.

hvalpene, mindre kuld og dårligere skindkvalitet pga. misfarvning af pelsen. Derfor har Dansk Pelsdyravlerforening – også kendt som Kopenhagen Fur – gennem de seneste årtier brugt mange ressourcer på at bekæmpe sygdommen med rutinemæssige kontrolblodprøver af dyrene og konsekvent sanering af inficerede farme. Og indsatsen har båret frugt.

”Danmarks status som verdens eneste land stort set uden plasmacytose har været en væsentlig del af forklaringen på den succes, vores branche har opnået,” forklarer Leif Bruun, direktør for de faglige afdelinger i Kopenhagen Fur, herunder Kopenhagen Diagnostik. Han vurderer, at Kopenhagen Fur har en konkurrencemæssig fordel ved at være plasmacyto-

Danske minkskind er kendt for at have verdens højeste kvalitet.

sefri, som har en værdi af omkring en mia. kr. pr. år.

Udbrud i Holstebro Men pludselig sidste sommer udbryder det, Leif Bruun kalder en katastrofe for de danske mink­ avlere. Mere end 200 minkfarme i et område omkring Holstebro får konstateret plasmacytose i løbet af

06

S UP E RCO M P UTE R

G ENSEKVENTERING

”Der er stadig mange ting, vi ikke ved, om hvordan smitte kan spredes, og det vil min metode forhåbentlig kunne kaste nyt lys over.”

EMMA HAGBERG, ERHVERVS-PH.D., KO P E N H AG E N F U R

nogle få måneder, og spørgsmålet, der melder sig, er: Hvor kommer smitten fra?

Mens udbruddet står på, sidder Emma Hagberg i diagnostikafdelingen hos Kopenhagen Fur og arbejder på et erhvervs-ph.d-projekt om, hvorvidt man kan bruge såkaldt fuldgenomsekventering til at spore, hvor smitten stammer fra. ”Metoden bruges allerede i f.eks. fødevarekontrollen, hvor bakterieeller virusinfektioner spores tilbage til smittekilden ved hjælp af genanalyser.

Men jeg er en af de første, der prøver det med plasmacytose. Det, jeg har

Emma Hagbergs forskning skal være med til at sikre, at danske minkskind bevarer sin høje kvalitet.

gjort, er at ekstrahere DNA fra prøver fra inficerede dyr, og derefter har jeg foretaget en fuldgenomsekventering.

Dvs. at jeg får hele DNA-sekvensen for den specifikke virus, som har inficeret dyret,” fortæller Emma Hagberg.

Stamtræer for virus Næste skridt er at sammenligne de forskellige sekvenser for at kortlægge slægtskabet mellem virus fra de mange prøver. Det gøres ved at opstille en slags stamtræ – et fylogenetisk træ.

Projektet baserer sig på forskning i bioinformatik ved DTU. Metoden kan bruges til smittesporing, fordi virus

muterer over tid. Når man kender specifikke virus i en population, kan man lave modeller for, hvor meget virus muterer inden for en vis periode, og bruge dette som parameter i sin dataanalyse. ”Man lægger sine DNA-sekvenser og de tilhørende data om, hvor prøven er taget osv., ind i en model. Så fortæller man modellen, hvilken type virus der er tale om, og hvor ofte den type virus muterer. Herefter beder man modellen om at regne ud, hvor langt man skal tilbage i tiden for at finde en fælles stamfader. Hvis denne ligger f.eks. ti år tilbage, kan man konkludere, at det

DY N A M O

46

09

16

ældre version af den virus, som både B og C var blevet smittet med. Det tyder på, at smitten højst sandsynligt kom fra A. Med de metoder, som anvendes i dag, kan man ikke se dette. Og faktisk er der stadig mange ting, vi ikke ved, om hvordan smitte kan spredes, og det vil min metode forhåbentlig kunne kaste nyt lys over.”

Hos Kopenhagen Fur er der tilfredshed med resultaterne: ”Katastrofen i Holstebro har betydet, at Emma Hagbergs ph.d.-projekt har fået meget stor politisk opmærksomhed. Alle er pludselig blevet klar over, at hvis vi skal løse disse problemer, er vi nødt til at kvalificere analysearbejdet yderligere – f.eks. ved at gå fra overfladisk typebestemmelse til fuldgenomanalyse. Der har ikke været nogen tradition i plasmacytosebekæmpelsen for at bruge molekylærbiologiske teknologier på rutinebasis.

Men takket være Emma Hagbergs resultater er ambitionsniveauet nu, at vi skal kunne bruge det som et afgørende

DTU

07

værktøj i smittesporing,” siger Leif Bruun.

Supercomputer redder projektet Prisen for at sekventere falder konstant, så den største udfordring ved at anvende fuldgenomsekventering er de enorme datamængder, som skal analyseres. De nye teknologier (next generation sequencing) genererer en masse små stumper DNA-sekvens (sequence reads), som skal samles til hele genomer, og herefter skal den fylogenetiske model analysere flere hundrede genomer ad gangen. Det betyder, at en almindelig computer bliver lagt fuldstændig ned. Men Emma Hagberg blev tilbudt at være pilotprojekt på en nyetableret national supercomputer, Computerome. Computeren befinder sig fysisk på DTU Risø Campus, men takket være en avanceret cloudløsning kan den tilgås fra f.eks. en bærbar computer. Som pilotprojekt fik Emma finansieret sin computerregnetid af DeIC (Danish e-Infrastructure Cooperation),

Plasmacytose

nok ikke er A, der har smittet B, men derimod en slægtning, der ligger tættere på,” forklarer Emma Hagberg.

Genomanalyse bliver rutine ”Jeg har nu lavet et proof of concept-studie, som viser, at fuldgenom­ analyse kan bruges til at spore smittespredning af plasmacytose, og at det giver vigtig ny viden,” forklarer Emma Hagberg og fortsætter: ”Jeg undersøgte f.eks. et tilfælde, hvor to naboer, B og C, pludselig fik plasmacytose. De mente begge, at smitten kom fra en tredje nabo, A, men det afviste A. Min analyse viste, at minkfarm A havde en

Plasmacytose – også kaldet Aleutian Mink Disease – skyldes infektion med en parvovirus.

Mink er den dyreart, der er mest modtagelig for sygdommen. Sygdommen har dødelig udgang for smittede mink. Det er ikke muligt at vaccinere eller behandle sygdommen medicinsk. Sygdommen spredes mellem burene enten direkte eller via redskaber eller personale. Den spredes også mellem farme ved handel med dyr eller via maskiner, fugle eller besøgende på farmen. I Danmark bekæmpes sygdommen ved at undersøge blodprøver fra mink. De inficerede og smittefarlige dyr fjernes fra farmen og pelses. Alternativt saneres farmen med udskiftning af alle avlsdyr, og der indsættes nye avlsdyr efter grundig rensning og desinfektion af hele farmanlægget.

KILDE: DTU VETERINÆRINSTITUTTET

08

SU P E RCOM P U TE R

G E N S E KVE NTE R I N G

DY N A MO

46

09

16

”Projektet med Kopenhagen Fur er et eksempel på, hvordan offentlig forskning og erhvervsmæssige interesser sammen kan løse nogle af fremtidens udfordringer ved brug af de nye supercomputing-faciliteter.”

PETER LØNGREEN, DTU

og samtidig fik hun hjælp af Computeromes eksperter. Og vigtigst af alt kunne analyserne nu pludselig gennemføres inden for en realistisk tidsramme. ”Jeg kan jo ikke vente i årevis på, at resultaterne bliver til et produkt, jeg kan tilbyde de danske avlere. Derfor har det været helt afgørende, at vi har haft adgang til Computerome, for ellers kunne Emma Hagberg have siddet og regnet, til hun var 80 år,” forklarer Leif Bruun og fortsætter:

Størstedelen af de danske minkskind går til eksport. Det er især Kina, der aftager skindene.

”Det ideelle for os vil være, at modeller som dem, Emma Hagberg har brugt, bliver standardiseret og gjort tilgængelige på Computerome på en måde, så vi blot skal uploade vores sekvenser, og ud kommer de svar, vi har brug for. Så vil vi nemlig få glæde af de nye teknologier uden at skulle have en supercomputer i kælderen eller bioinformatikeksperter ansat i en forholdsvis lille forsknings- og diagnostikafdeling.”

Computerome DeIC Nationale LifeScience Supercomputer er etableret af DTU i samarbejde med Danish e-Infrastructure Cooporation og Københavns Universitet.

Den er Danmarks hidtil største supercomputer med en kapacitet som ca. 8.000 forbundne pc’er.

Computerome er nummer 161 på listen over verdens største computersystemer (sommeren 2015).

• Størrelse: 16.200 CPU-kerner.

• Hukommelse: 96TB DDR4 ram.

• Lager: 4 petabyte = 4.000.000 gigabyte storage.

• Backup: 1,5 petabyte – en pc kan typisk lagre 250-500 gigabyte.

• Regnekraft: 410,8 teraflops (flops = floating point operations per second).

• Båndbredde: Den kan overføre 75 gigabyte pr. sekund mellem serverlagrene.

Den kan f.eks. analysere 41 genomer på 1,6 sekunder.

• Sikkerhed: Alle data opbevares i en sky, som hver enkelt dataejer har eneret over.

Systemet opfylder USA’s strenge sikkerhedskrav.

• Pålidelighed: Der er redundans i alle kritiske systemer, så brugerne er garanteret oppetid døgnet rundt.

• Efterspørgsel: P.t. er der 800 brugere og 20.000 jobs i kø.

Og det er faktisk ikke en umulig tanke, hvis man spørger leder af Computerome Peter Løngreen. ”Vi udvikler hele tiden Computerome sammen med brugerne og forsøger at være et par skridt foran i forhold til at forudse fremtidige behov. Projektet med Kopenhagen Fur er et eksempel på, hvordan offentlig forskning og erhvervsmæssige interesser sammen kan løse nogle af fremtidens udfordringer ved brug af de nye supercomputing-faciliteter. Computerome er skræddersyet til at håndtere life science-data. Det betyder, at denne supercomputer er designet ikke bare til store datamængder og avancerede beregninger, men også til at håndtere meget høje krav til datasikkerhed. Takket være vores cloudløsning kan vi tilbyde forskningsinstitutioner og virksomheder et niveau af sikkerhed og stabilitet i drift, som man ellers kun kender fra interne systemer. Mange virksomheder anvender da også allerede Computerome, og vi kommer til at se mange flere af denne type samarbejder i fremtiden.” mma H a g b erg , er h ve r v s-p h . d . , E Ko p en h a g en F u r, eh a @ ko p en h a g enf u r. co m et er Lø n g reen , l e d e r af d et n at i o n a le P H P C - a n l æ g Co mp ut e ro m e , p et erl @ c b s . d t u . d k

Læ s o m m u lighe d e rne for at lave pilotprojekter på Computerome p å l . d t u . d k / o h 8 w Se f il m o m E mma Ha gb e rgs p ro j e k t h e r : ko rt l in k . d k / n 3 6 3

U DDANNELS E

NYHE D E R

09

DTU

Global undervisning i antibiotikaresistens

LEDERE BLIVER KLÆDT PÅ TIL VÆKST

Studerende fra hele verden har nu adgang til DTU’s ekspertise inden for antibiotikaresistens. DTU Fødevareinstituttet udbyder nemlig kurset ’Antimicrobial resistance – theory and methods’ på den verdensomspændende onlinekursusportal Coursera.

Her kan alle få adgang til den nyeste viden om, hvordan bakterier udvikler resistens, og hvordan testmetoder virker. Siden kurset blev åbnet i juni, har mere end 3.500 studerende fra hele verden tilmeldt sig kurset, der består af en række moduler med video-forelæsninger, opgaver og quizzer. Hele forløbet strækker sig over fem uger, og der er løbende ny kursusstart, så nye studerende kan hoppe på. Det er gratis at deltage i onlinekurset, men hvis man ønsker et kursusbevis, skal man betale et gebyr, ligesom man skal bestå en række quizzer.

S e m e re p å kortlink.dk/muvg L in a C avaco , seniorforsker, DTU Fø d evareinstituttet, l icav@fo o d .d k

Hvordan sikrer man sig, at ens virksomhed konstant udvikler sig, og at medarbejderne har rammerne til at skabe nye produkter og serviceydelser, sideløbende med at man har ansvaret for, at den daglige drift fungerer optimalt, og at omkostningerne ikke stiger, men snarere falder? Det skorter ikke på udfordringer for dagens virksomhedsledere. Det er disse udfordringer, der tages fat i på DTU Business’ kursus ’Managing for Growth’. Det intensive kursus er tilrettelagt som en mini-MBA, der strækker sig over fire måneder. Professorer fra DTU Business samt internationale eksperter fra andre anerkendte uddannelsesinstitutioner står for undervisningen, som tager udgangspunkt i reelle businesscases fra deltagernes egne virksomheder. Kurset henvender sig til ledere med mindst fem års ledelseserfaring.

Der starter et nyt hold i midten af januar 2017.

Tilmeldingsfristen er 18. november 2016.

S e mere p å b u s in es s . d t u .d k / mfg

10 år med nordiske uddannelser

Studerende reparerer hospitalsudstyr i Nepal Når hospitaler og virksomheder donerer medicinsk udstyr til hospitaler i ulande, er der risiko for, at det enten ikke virker, eller at modtagerne ikke forstår at bruge det, da der måske mangler tekniske vejledninger og manualer. Det vil den verdensomspændende organisation Engineering World Healths lokalafdeling på DTU råde bod på. Her i sommer har organisationen f.eks. sendt ti DTU-studerende fra bl.a. uddannelsesretningen Medicin og Teknologi til Nepal for at hjælpe med at vedligeholde og reparere teknisk udstyr på landets hospitaler. Organisationen organiserer også ’repair workshops’ på DTU, hvor hospitalsudstyr bliver gennemgået og repareret, før det sendes ud i verden. Engineering World Health er en verdensomspændende organisation, og lokalafdelingen på DTU har omkring 50 medlemmer.

Den strategiske alliance Nordic Five Tech fejrede i juni sit 10 års jubilæum. Alliancen består af de førende tekniske universiteter i Norden, og den har flere successer at fejre.

Blandt andet udbyder den nu fem fælles kandidatuddannelser, som alle ligger inden for områder, hvor partneruniversiteterne har stærke kompetencer, f.eks. inden for bæredygtig energi, maritim teknologi, miljøteknologi, polymerteknologi og ’cold climate

engineering’. De studerende læser to år på to af de fem universiteter, og erhverver dermed en ’double masters degree’ fra begge universiteter.

S e mere p å n o rd ic f i vet e c h . o rg e f il m o m u d d a n n e lse n i ’ co ld c li m at e S en g in eerin g ’ h er: ko r t li n k . d k / n 3 6 4 e f il m o m u d d a n n e lse n i ’ m a r i t i m e S en g in eerin g ’ h er: ko r t li n k . d k / n 3 6 5

FULDT HUS PÅ DTU Igen i år har DTU oplevet en markant stigning i antallet af unge, der gerne vil læse til ingeniør. I alt 2.182 unge har fået tilbudt en studieplads på en af DTU’s 33 uddannelser. Heraf 1.041 på professionsbacheloruddannelsen til diplomingeniør og 1.141 på bacheloruddannelsen til civilingeniør. Det svarer til en stigning på 7 procent i forhold til sidste år. DTU har siden sidste år etableret 140 nye studiepladser, både ved at oprette nye uddannelser og ved at udvide kapaciteten på de mest populære studieretninger. Blandt de mest søgte uddannelsesretninger er den internationale bachelorretning General Engineering, som da også kræver det absolut højeste gennemsnit, nemlig 10,8.

S e a l l e o pt a g st a l o g a d g a n g s kvot i e nt e r h e r : l . d t u . d k/ 9 c 1 2

S e m e re p å ewh.dtu.dk

Miriam Meister, Caroline Jakobsen, Louise Simonsen, Astrid Degerbøl

Mikkel Adsbøl, EWH DTU Nepal Summer Institute 2016, Mikal Schlosser

10

TE MA

M ATE R I ALE FO RS K N I N G

1 3 H va d ka n røntgen m i k ro sko pi bruges til?

MAX 1 4 Røntgen ba g bedre m ælkekarto ner

1 8 P u k kel pi ster dæm per vibratio ner f ra moto rvej

2 2 Ki g m ed i n den for i DTU’s eget rø ntgenmikro sko p

VIDEN OM USYNLIGE STRUKTURER GIVER NYE MATERIALER

Danske universiteter og virksomheder får direkte adgang til det netop indviede røntgenstråleanlæg i Lund, MAX IV. Det er det seneste skandinaviske indspil til det, forskere betegner som en revolution inden for materialeforskningen. En revolution, der vil få stor betydning for vores hverdag og de genstande, vi omgiver os med.

Tore Vind Je n se n Lei f Jansso n , S nø h etta, Thomas Steen Jørgensen

MAX IV

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med høj energi. Jo højere energi strålingen har, jo kortere bliver bølge­ længden, og jo mindre strukturer kan man undersøge.

Gennem ganske mange år har fysikerne været i stand til at producere særlig energirig røntgenstråling. Det sker i de karakteristiske ringformede såkaldte synkrotroner, hvor elektroner med meget høj energi (tre gigaelektronvolt) cirkulerer rundt tæt på lysets hastighed. Elektronerne bøjes rundt i ringen af stærke magneter. Afbøjningen giver anledning til dannelse af røntgenstråling med høj intensitet.

Fra MAX IV’s lagerring, der har en omkreds på 528 meter, kan røntgenstrålingen ’tappes’ ud i de i alt 19 planlagte beamlinjer, som står i strålingsbeskyttede laboratorier, hvor de kan anvendes til forskellige typer undersøgelser, herunder at skabe 3D-billeder af materialers indre.

MAX IV blev indviet den 21. juni 2016.

DY NAM O

46

09

16

IV I

de kommende år vil en dansk såkaldt beamlinje – DanMAX – blive opført ved røntgensynkrotronen MAX IV i Lund. Den giver danske forskere og virksomheder direkte adgang til noget af verdens bedste udstyr til at se og studere materialer i ekstremt høj opløsning. Og det betyder, at Danmark kommer til at stå stærkt i udviklingen af nye, avancerede materialer, vurderer professor

11

DTU

Henning Friis Poulsen fra DTU Fysik: ”Det moderne samfund hænger kun sammen, fordi vi har haft materialeforskningen. Forskningen har bl.a. givet os rustfrit stål, glas og plastik.

Materialer er med til at definere vores samfund, hvordan vi bevæger os, og hvordan vi bor. Og langt de fleste af de samfundsmæssige udfordringer, vi står overfor nu – om det er at få fore-

DanMAX DanMAX bliver en af de i alt 19 linjer i røntgensynkrotronen MAX IV, som er under opførelse i Lund.

Linjen får to målestationer, hvor den ene er til 3D-billeddannelse, mens den anden er til diffraktionsmålinger. Billeddannelsen kan bruges til at studere materialers indre strukturer, mens diffraktionsmålinger kan vise den atomare opbygning af molekyler samt forløbet af kemiske processer.

Forskere fra DTU er med til at bygge instrumenterne.

Danske forskere vil generelt have adgang til at bruge alle beamlinjer på MAX IV på lige vilkår med andre forskere via reviewpaneler. Derudover får Danmark forlods tildelt ca.

2.500 timer årligt på DanMAX. Det giver mulighed for at tilgodese industriprojekter, strategisk forskning og undervisning.

Det koster knap 100 mio. kr. at bygge DanMAX, hvoraf 78 mio. kr. finansieres af Uddannelses- og Forskningsministeriet, Københavns Universitet, Aarhus Universitet og DTU samt af Region Hovedstaden og Region Midtjylland. Det resterende beløb finansieres af MAX IV.

MAX IV i aftenlys med lyskunst projiceret på kontorbygningen, der er bygget hen over an­ læggets lagerring.

DanMAX ventes klar i 2019.

taget en grøn omstilling på energiområdet eller sikre en bedre produktivitet i virksomhederne – kan kun løses med hjælp fra materialeforskningen,” siger han og fortæller, at DanMAX bl.a. vil blive brugt til at bane vejen for stærkere materialer til vindmøller, effektive og holdbare materialer til energilagring, studier af naturlige materialer og fødevarer og udvikling af biomaterialer, som f.eks. kan bruges til implantater.

12

TE NA

At se det usynlige Centralt for forskningen på det store røntgenanlæg er, at forskerne bliver i stand til at se ting, som ellers usynlige. Med røntgenstråler med en bølgelængde på bare 0,01-1 nanometer kan man se, hvordan materialer er opbygget – helt ned til de enkelte molekyler og atomer. Det kan f.eks. være de mikroskopiske, fine korn, som metaller er bygget op af, eller sammensætningen af materialer til vindmøllevinger, batterier eller brændselsceller.

Når man betragter materialer på den måde, bliver det tydeligt, at de har nogle grundlæggende strukturer tilfælles. De er jo f.eks. alle opbygget af atomer. Men ligesom med legoklodser kan man bygge meget komplicerede strukturer af disse – på mange længdeskalaer. Det er således en illusion, når vi ser det enkelte materiale som en

M ATER I ALEFO R S K N I N G

homogen masse. I virkeligheden består langt de fleste materialer af mange delelementer, der er kombineret og skaber det ensartede udtryk, der er synligt for vores øjne.

Viden sætter fart i udviklingen Det er ikke noget nyt, at mennesker manipulerer med disse delelementer for at give materialerne nye egenskaber. Det er hele baggrunden for det

Henning Friis Poulsen står i spidsen for DTU’s brobygning mel­ lem danske virksom­ heder og faciliteterne i MAX IV og den nær­ liggende neutronkilde ESS.

moderne samfund. Det nye er, at de seneste mange års enorme fremskridt inden for materialeforskningen gør os i stand til på atomar-, nano- og mikroskala at styre disse manipulationer i hidtil uhørt grad og skabe nye materialer med helt nye egenskaber. ”Det, vi kan med DanMAX, er at lave 3D-billeder og 3D-film af det indre af materialer og studere, hvordan de udvikler sig. Vi kan f.eks. se på en brændselscelle, hvad der sker med strukturerne inden i materialet under operationsbetingelser,” forklarer Henning Friis Poulsen og fortsætter: ”Når vi kan se, hvordan materialer opfører sig, bliver det nemmere at forstå dem. Og så bliver vi bedre til at opstille gode modeller for dem i computeren og simulere, hvordan de vil opføre sig i andre sammensætninger. Det vil speede processen mod at udvikle nye materialer op, for det går meget hurtigere end at lave forsøg i et laboratorium, som man gjorde, da man udviklede de materialer, vi er omgivet af i dag.” en n in g F riis Po u lse n , p rofe sso r, DT U H F ys ik , hf p o @ f ys ik . d t u . d k

DYN AMO

46

09

16

DT U

13

Effektiv energilagring Katalysatorer, brændselsceller og teknologier til ammoniakopbevaring spiller en central rolle i energilagring og -konvertering. Alle tre teknologier fungerer ved hjælp af porøse materialer, som vand og gasser diffunderer igennem. For at forbedre ydeevnen i disse teknologier er det nødvendigt at forstå, hvad der foregår på mikroskopisk skala – f.eks. hvordan gas og væske trænger igennem de porøse materialer – og få mere viden om materialernes porestørrelse og form. DanMAX gør det muligt at forudsige, hvordan materialerne nedbrydes. Samtidig vil forskerne kunne følge væskestrømmene i realtid og 3D.

Stærkere metaller

HVAD KAN RØNTGENMIKROSKOPI BRUGES TIL?

På beamlinjen DanMAX vil en koncentreret røntgenstråle blive sendt ud til to målestationer, hvor forskerne vil kunne se ind i en lang række materialer. En af disse målestationer er et røntgenmikroskop.

Med røntgenmikroskopi kan man kortlægge korn, orienteringer, faser og lokale spændinger i polykrystallinske materialer som f.eks. metaller, keramikker og visse byggematerialer. Med DanMAX kan man etablere og afprøve materialemodeller og få en mere detaljeret forståelse af, hvordan metaller deformeres og hærdes, og hvordan dislokationer opstår. Det vil gøre det muligt at udvikle nye og mere holdbare materialer til bl.a. energi- og byggesektoren.

To re Vind Je n sen DTU E n e rgi, S hutterstoc k

Sikrere lægemidler

Bedre biologiske materialer

Når man fremstiller en lang række lægemidler – f.eks. krystallinske lægemidler som paracetamol – er det afgørende, at man kan forstå og styre krystalliseringsprocesserne. Røntgendiffraktionsmetoder kan vha.

DanMAX bruges til at overvåge udkrystalliseringen af stoffer fra en opløsning og til at følge kemiske ændringer som f.eks. optagelse af vand og indtørring under skiftende temperaturer og fugtighed. Med DanMAX bliver det muligt at studere de afgørende tidlige stadier af krystallisering og følge strukturelle ændringer over tid meget tættere, end forskerne er i stand til i dag.

Naturen byder på et væld af eksempler på avancerede egenskaber, f.eks. muslinger, der under vand kan lime sig fast til både glatte og ru materialer, eller knogler, der er dannet af nanokrystallinsk calciumfosfat og proteiner i et komplekst kompositmateriale, som på samme tid giver dem lethed og styrke. På grund af manglende analyseværktøjer er f.eks. knoglers struktur og holdbarhed langtfra forstået. Det samme gælder konsekvenserne af at bruge kunstigt fremstillede biomaterialer i kroppen. I DanMAX vil man kunne undersøge prøver i komplekse miljøer samt i 3D og over tid og dermed blive i stand til at udvikle materialer med avancerede egenskaber. Desuden er beamlinjen designet til analyser af biologiske og bioinspirerede materialer.

Større vindmøllevinger

Nye fødevarer og emballager

Vindmøllevinger er konstrueret med bl.a. fiberforstærkede kompositmaterialer, hvor de vigtigste materialeegenskaber er høj stivhed, trykstyrke og høj modstand mod materialetræthed. Undersøgelser i DanMAX med røntgentomografi kan visualisere fibrenes arkitektur i detaljer og give ny viden om, hvordan materialetræthed udvikles.

Ved at styre disse egenskaber bliver det muligt at fremstille længere, lettere og mere holdbare vinger og dermed sænke prisen på strøm fra vindmøller.

I DanMAX kan man analysere fødevarer som kød, emulsioner, mejeriprodukter, slik og frugt samt skabe nye avancerede emballager. Udvikling af nye produkter kræver nemlig effektive og kraftfulde teknikker, der kan kortlægge produktets enkeltdele uden at ødelægge dem.

3D-røntgenbilleddannelse med høj kontrast er meget velegnet til at analysere væv (f.eks. svinefedt) og lette materialer og gør det muligt at følge processer og se strukturelle ændringer i fødevaren, mens de foregår, f.eks. under opvarmning og afkøling.

14

TE M A

MATE RI ALE FO RS K NI NG

RØNTGEN BAG BEDRE MÆLKEKARTONER Emballagevirksomheden Tetra Pak bliver nabo til to af verdens mest avancerede anlæg til materialeforskning. Samarbejde over Øresund klæder den skånske virksomhed på til at udnytte anlæggene.

Morte n An d e rse n Tet ra Pak

4

0.000 mælkekartoner i timen.

Så mange emballager kan en enkelt maskine i produktionshallen hos Tetra Pak spytte ud. Hver emballage tager altså i underkanten af en tiendedel sekund at fremstille! ”Det kan kun lade sig gøre ved at have godt styr på sine materialer og på de forandringer, som de undergår ved forarbejdningen. Det er det, der gør røntgenteknologi til et naturligt værktøj for os,” siger Christel Andersson, der er udviklingsingeniør i Lund-virksomhedens afdeling for materialeudvikling.

De færreste af os tænker på, at vi holder et avanceret sandwichmateriale i hånden, når vi tager en karton mælk eller juice ud af køleskabet. Ud over selve pappet består emballagen af tynde lag af polymerer og alufolie, der er med til at give de vandtætte og lugtisolerende egenskaber. En typisk emballage har fem-syv lag materiale.

Det er især den ekstremt hurtige produktion, der udfordrer udviklerne.

Der er brug for mange emballager i den moderne verden, og de skal være billige. ”Samtidig forsøger vi konstant at presse forbruget af materiale til den

DYN AMO

46

09

16

15

DTU

Tetra Pak Tetra Pak er verdens førende producent af emballager til fødevarer som mejeriprodukter, juice mv.

Virksomheden blev stiftet i 1943 af dr. Ruben Rausing, som indså, at overgangen til supermarkeder, hvor kunderne kunne betjene sig selv, ville skabe efterspørgsel efter emballage.

I dag beskæftiger koncernen flere end 23.000 medarbejdere fordelt på mere end 85 lande.

enkelte emballage ned. Det gør vi både af økonomiske årsager og for at mindske belastningen af miljøet og forbruget af ressourcer,” tilføjer Christel Andersson.

Samspil med elektronmikroskopi Et andet hensyn er forbrugernes komfort. ”Forbrugerne ønsker emballager, der er lette at åbne. Det forsøger vi at efter­ komme, men naturligvis uden at gå på kompromis med evnen til at holde produktet inde. Det er modsatrettede hensyn,” supplerer teknologispecialist Eskil Andreasson fra Tetra Paks afdeling for teknologiudvikling.

Produktionen af en mælkekarton går ekstremt hurtigt.

Det stiller store krav til materialet og til producentens viden om det.

Han viser en udstanset kompositplade, der kan foldes sammen til en såkaldt Tetra Brik Aseptic, som er en emballage, der egner sig særligt til langtidsholdbare produkter. På de steder, hvor maskinen skal bukke kompositpladen, er der på forhånd trykket fordybninger i materialet. I fagsproget kaldes det ’creasing’. Denne deformering betyder, at materialet lettere bøjer her.

Fordybningerne bliver til hjørnerne i den færdige emballage, og takket være forbehandlingen bliver styrken i hjørnerne lige så god som i resten af strukturen.

Nøglen til at opnå det bedst mulige resultat hurtigt og med mindst mulig

På verdensplan har Tetra Pak flere end 8.700 maskiner i drift.

De hurtigste maskiner kan producere 40.000 emballager i timen.

brug af materialer ligger i den rette kombination af materialevalg, design, forarbejdningsproces og forbehandling. Det kræver stor og meget detaljeret viden. ”Polymerlagene har samme tykkelse som et hår, så vi er nødt til at have ekstrem høj opløsning for at få de resultater, vi har brug for,” siger Eskil Andreasson.

Virksomheden bruger elektronmikroskopi – nærmere bestemt SEM (Scanning Electron Microscopy) – til disse detaljestudier. ”Det vil vi fortsat gøre, men SEM har den ulempe, at man skal skære prøver ud af materialet. Dermed vil der

16

TE M A

LINX 15 virksomheder, to regioner, Dansk Industri og tre danske universiteter er gået sammen om at styrke den industrielle udnyttelse af to af verdens stærkeste anlæg til materialeforskning.

Projektet, som har fået navnet LINX for ’Linking Industry to Neutrons and X-rays’, har et samlet budget på 78 mio. kr., hvoraf de 50 mio. kr. er bevilget af Innovationsfonden. Den resterende finansiering skaffes af deltagerne.

MATE RI ALE FO RS K NI NG

MAX IV er en røntgen­­synkrotron, mens ESS (European Spallation Source) er en neutronkilde.

Begge anlæg opføres i Lund, Sverige.

”Som virksomhed kan det nogle gange være svært at se mulighederne i så avancerede forskningsfaciliteter.

Her kan vi som universitetsforskere hjælpe.”

PROFESSOR HENNING FRIIS POULSEN, DTU FYSIK

Ud over DTU deltager Københavns Universitet og Aarhus Universitet. De medvirkende regioner er Region Hovedstaden og Region Midtjylland. Virksomhederne er: Biomodics, CO-RO, CPH Inventures, Exruptive, Frichs Ecotech, Grundfos, LM Wind Power, Novo Nordisk, Novozymes, Rockwool, TEGnology, Tetra Pak (Sverige), Velux, Xnovo Technology og Aalborg Portland.

altid være lidt tvivl om, hvorvidt prøveudskæringen har ændret struktur og andre egenskaber. Omvendt er fordelen ved røntgenstråling er, at man kan se egenskaberne i materialet udefra.

Desuden forandrer man ikke prøven.

Derfor kan man senere måle på den samme prøve igen.”

Fra statisk til dynamisk Tetra Pak har selv tre røntgenapparater. Desuden har virksomheden for nylig indledt et samarbejde med DTU og en række andre danske forskningsinstitutioner og virksomheder.

Det sker i projektet LINX – Linking Industry to Neutrons and X-rays (se faktaboks).

Tetra Pak købte sin første røntgenkilde med henblik på kvalitetskontrol. Maskinen benyttes fortsat til det formål. De to øvrige indgår i udviklingsarbejdet. ”På få år har røntgentomografi flyttet sig fra at være noget, som folk omtalte som spændende og interessant, til at være en del af dagligdagen,” siger Eskil Andreasson. ”Vi sparer mange fysiske test, som vi tidligere var nødt til at lave, fordi vi kan tage vores CT-skanninger

”Røntgentomografi er relevant for alt vores udviklingsarbejde, formgivning af emballager, forbehandling, forarbejdning og valg af lukkemekanismer. Vi har kun set starten på det, teknologien kan hjælpe os med.”

E S K I L A N D RE A S S O N , TE K N O LO G I S P E C I AL I S T, TE T R A PA K

ind i simuleringer, så vi kan se virtuelt, hvordan ændringer i materialevalg, processer og design vil påvirke resultatet. På den måde kan vi slippe med færre fysiske test, som til gengæld er skarpere tilrettelagt, så de giver os større værdi.”

LINX-samarbejdet skal føre virksomheden endnu længere. ”Vi er glade for vores egne røntgen­ målinger, men de har den begrænsning, at de er øjebliksbilleder. Virkeligheden er jo ikke statisk, men dynamisk,” forklarer Eskil Andreasson. ”For at ’filme’ ændringerne i strukturen i den høje opløsning, som vi har brug for, er man nødt til at have større røntgenkilder. Det skridt har vi brug for, at DTU hjælper os med at tage.”

Partnerskab over sundet Tetra Pak og DTU-forskerne har især kig på beamlinjen ’DanMAX’ (se faktaboksen side 11) ved MAX IV. ”Vi har fået forsøg udført ved forgængeren MAX II, men det har ikke været på regelmæssig basis. I fremtiden håber vi, at det kan blive en del af vores rutiner,” siger Eskil Andreasson. Selvom der endnu er et par år til indvielsen af DanMAX-linjen, er virksomheden ikke for tidligt ude, understreger han.

DYNAM O

46

09

1 6

DTU

17

”Desuden er DTU-forskerne dygtige til imaging,” supplerer Christel Andersson. ”Som garvet bruger kan man godt få noget ud af de rå data, men det er nu engang et grundlæggende behov hos mennesket, at man helst vil se med egne øjne, hvad der sker i materialet.” ”Visualisering er utrolig vigtig for røntgentomografien,” samstemmer Eskil Andreasson. ”Efterhånden som man får erfaring med røntgen, lærer man sig at navigere rundt i billederne og zoome ind og ud, mens man hele tiden har overblik over længdeskalaerne. Men især for nye, der skal lære tingene, er der brug for hjælp. Det gælder også, når vi skal præsentere resultaterne for andre, ikke mindst for virksomhedens ledelse.”

”Det er klogt at afklare på forhånd, hvilke forsøg vi gerne vil have udført, og hvordan de forskellige eksperimenter skal rigges til.”

MAX IV ligger netop i Lund ligesom et andet stort anlæg, neutronkilden ESS (European Spallation Source), som også er under opførelse. ”Det sker da, at vi bliver spurgt om, hvorfor vi har valgt at samarbejde med danske forskere, når nu anlæggene ligger i Lund. Det skyldes først og fremmest det gode ry, som forskerne på DTU har inden for feltet. Desuden er København jo meget tættere på os end f.eks. Stockholm,” siger Christel Andersson.

En mælkekarton er ikke bare en mælke­ karton. Den er et yderst avanceret sandwichmateriale, som består af op til syv forskellige lag.

Trygt at dele viden En sidegevinst er samarbejdet med de danske virksomheder i projektet. ”Selvom en virksomhed som f.eks.

Velux arbejder med væsentligt større dimensioner, når den producerer sine vinduer, er der alligevel nogle grund­ læggende problemstillinger omkring forarbejdning af kompositmaterialer, som vi har tilfælles,” siger Eskil Andreasson. ”Man skulle måske heller ikke tro, at Novo Nordisk og vi har fælles udfordringer, men faktisk benytter Novo Nordisk meget af den samme simuleringsteknologi som os. På den måde fungerer LINX-projektet også som en ’hub’, hvor vi kan udveksle erfaringer. Der kommer jo rigtig meget ny både hardware og software til brug for røntgentomografi i disse år. Faktisk tror jeg netop, at det er en fordel, at virksomhederne er så forskellige. Vi er ikke konkurrenter, og dermed er det trygt at dele viden.”

Blandt forskningspartnerne er især DTU Compute og DTU Fysik interessante for Tetra Pak. ”En ting er at lægge forsøgene til rette, så man får sine resultater, men det er også vigtigt at begrænse sig, så man ikke skal forarbejde alt for store datamængder. Det kan DTU hjælpe os med,” siger Eskil Andreasson.

Vil designe innovative materialer ”Visionen er, at vi en dag vil nå dertil, hvor vi ikke længere kun efterprøver effekterne af innovative materialeløsninger, men ligefrem vender tingene på hovedet, så vi bruger visualiseringer på baggrund af røntgentomografi til at designe materialerne på molekyleniveau,” siger Christel Andersson. ”Det er et område, som er på vej frem – såkaldt molecular dynamics.”

I første omgang har Tetra Pak valgt at begrænse sig til materialestudier i sammenhæng med LINX-projektet, men det vil være oplagt at inddrage andre områder senere, slutter Eskil Andreasson: ”Røntgentomografi er relevant for alt vores udviklingsarbejde. Det vil også sige formgivningen af emballagerne, forbehandlingen, forarbejdningen og valget af lukkemekanismer. Vi har kun set starten på det, som teknologien kan hjælpe os med.”

18

TE M A

M ATER I ALEFO R S K N I N G

PUKKELPISTER DÆMPER VIBRATIONER FRA MOTORVEJ Højteknologisk forskningsstation møder lavteknologisk landskabsarkitektur på marken uden for Lund, hvor røntgenstråleanlægget MAX IV er placeret. Bag pukkelpisterne står det norske arkitektfirma Snøhetta, der er inspireret af lysbølgernes runde former.

Ch r istina Tæ kke r Mi kal S chlo sse r, S n ø h etta, Inge Ove Tysnes

K

øreturen over Øresundsbroen til Lund går nemt. Men lidt uden for den svenske by stopper gps’en. Der er kun udsigt til grønne og gule marker. Et skilt mod forskningsstationen MAX IV redder os. Nu er der ingen tvivl. En 11 meter høj ring af stål ligger som en redningskrans omgivet af pukkelpister.

MAX IV er en såkaldt synkroton, der består af en lagerring med en omkreds på 528 meter. I lagerringen cirkulerer elektroner med meget høj energi tæt på lysets hastighed. Når elektronerne påvirkes med magneter,

DY N A M O

46

09

16

DTU

MAX IV Fire kriterier til landskabsarkitekturen rundt om MAX IV: 1. Vibrationer skal dæmpes En forskningsstation, der skal afbilde ting på få nanometer, skal være ekstraordinært stabil.

2. Vandhåndtering Alt overfladevand skal håndteres på egen grund. Herfra kan det ledes til det kommunale vandværk.

3. Genbrug af jorden Landskabsarkitekt Jenny Osuldsen fra norske Snøhetta har stået i spidsen for designet af det specielle landskab rundt om MAX IV.

tvinges de til at bevæge sig i en form for slalombane og udsender dermed røntgenstråling.

Inspiration fra forskningsstation ”Inspirationen til landskabsdesignet kommer i høj grad fra forskningsstationen, der arbejder med lys. Og lys er jo bølger. Så vi besluttede os hurtigt for at tegne et bølgelandskab rundt om MAX IV,” fortæller Jenny Osuldsen, der er partner i det norske arkitektfirma Snøhetta og professor i landskabsarkitektur. ”Med konceptet imødekommer vi samtidig landskabsdesignets kriterier.

Det, man graver op, skal genbruges.

4. Naturlig beplantning Traditionel engbeplantning, der holdes ved lige med græssende får.

Bakke-landskabet dæmper vibrationerne fra den nærliggende motorvej.

Det fungerer som afvandingsbassin, når der er skybrud, og som rekreativt område med traditionel engbeplantning i tørre perioder. Endelig har vi hverken tilført eller fjernet jord, men alene omrokeret jordmasserne i området.”

Skulle løse vibrations­ mysteriet Snøhetta står bag bl.a.

Operahuset i Oslo, som især er kendt for, at arkitekturen forenes med

19

20

TE M A

M ATER I ALEFO R S K N I N G

”Ifølge ingeniørerne skaber en flad overflade flere vibrationer i grunden. Derfor formede vi landskabet som bakketoppe, som giver en større overflade og færre vibrationer.”

J E N N Y O S U L D S E N , A R K I T E K T O G P R O F E S S O R I L A N D S K A B S A R K I T E K T U R , S N Ø H E T TA

Modellerne viser, hvor­ dan bølgelandskabet er matematisk opbyg­ get. Bølgerne udgår fra hver af de 19 beamlinjer i MAX IV.

det omkringliggende landskab og den omkringliggende natur. Projektet i Lund, som Snøhetta blev bedt om at løse tilbage i 2011, har dog været anderledes. Her lød opgaven på at designe et landskab til en meget funktionsbaseret forskningsstation. Som en ekstra krølle skulle Snøhetta-arkitekterne løse vibrationsproblemerne fra motorvejen. Det fascinerede arkitekterne: ”Når bilerne kører forbi på motorvej E22 kan det skabe jordbundsvibrationer, der kan påvirke forsøgene i labo-

ratorierne. Selv den mindste vibration i undergrunden kan forstyrre laboratoriets underjordiske partikelgenerator.

Men landskabet kan være med til at dæmpe vibrationerne. Ifølge ingeniørerne skaber en flad overflade nemlig flere vibrationer i grunden. Derfor formede vi landskabet som bakke­ toppe, hvilket giver en større overflade og færre vibrationer,” fortæller Jenny Osuldsen.

Matematisk tænkning Til at løse opgaven benyttede Snøhetta sig af såkaldt parametrisk design, der kombinerer matematisk tænkning med nye digitale værktøjer. Det giver mulighed for at analysere komplekse situationer og skabe nye arkitektoniske udtryk. Et af parametrene, arkitekterne benyttede, var antallet af de

såkaldte beamlinjer i MAX IV, hvorfra lyset fra elektronerne sendes igennem.

Et andet parameter var vibrationernes bølgelængde. Her benyttede arkitekterne sig af målinger af jordbundsvibrationerne, der er skabt af bølgelængder på mellem 10 og 40 meters længde.

I dag udgår bølgelandskabet fra hver af MAX IV’s 19 beamlinjer. Bølgerne nærmest lagerringen er 10 meter lange, mens bølgerne længst væk fra beamlinjerne er 40 meter lange. Samtidig er bølgerne kombineret med en spiralbevægelse.

For at anskueliggøre landskabsarkitekturen for bl.a. entreprenører og vand- og trafikingeniører tog Jenny Osuldsen modellerne med fra kontoret i Oslo til byggemøder i Lund 32 fredage i et helt år.

Lettere at tale om en fysisk model ”I begyndelsen troede ingeniørerne ikke, at vi havde forstået alvoren i, at vibrationerne faktisk kunne ødelægge forskningen. Men det havde vi. På møderne opbyggede vi således en fælles referenceramme – nok i høj grad fordi vi arbejdede i 3D og medbragte de fysiske modeller,” siger Jenny Osuldsen.

Ingeniørerne testede 3D-modellerne på computeren og verificerede, om der skulle være mere kaos i landskabet, om bakkerne skulle være højere eller mere skrå, og hvordan de skulle bygges og vedligeholdes. Det var på et af møderne mellem landskabsarkitekterne og ingeniørerne, det blev foreslået at indkode Snøhettas 3D-modeller af bakkerne i gps-systemerne i byggeholdets to bull­

Forskningsanlægget MAX IV indgår i ’Science City’, der er en større by­ udviklingsplan for den nordøstlige del af Lund.

DY N A M O

46

09

16

dozere. Teknisk benyttede man sig af 3D-værktøjet Rhino suppleret med en plugin, Grasshopper, der giver mulighed for at lave parametrisk formgivning. ”Bakkerne er matematisk opbygget.

Hvis man kigger nøje efter, vil man se, at landskabet ligner et sæt af tangenter og en spiralform. Ingeniørerne tror bestemt, at bakkerne vil hjælpe mod vibrationerne. Så samtidig med at bakkerne har en reel funktion, er de også æstetisk flotte,” siger Jenny Osuldsen.

Landskabsdesignet blev færdigt før resten af MAX IV-byggeriet og står i dag delvist beklædt med en engbeplantning. Opdagelsen af et nærliggende naturreservat ved Kungsmarken har gjort det muligt at anvende et udvalg af naturlige planter, der er høstet og spredt ud over det 19 hektar store område. Når beplantningen

DTU

21

forhåbentlig er fuldt etableret om tre sæsoner, vil det blive vedligeholdt af græssende får. Området indgår i en større byudviklingsplan på 250.000 m2 for ’Science City’ nordøst for Lund.

Efter planen begynder byggeriet i 2019. ”MAX IV er det første projekt, der bliver færdigt i den store byudviklingsplan. Meningen er, at området bliver åbent for alle. Det betyder, at svenskere i fremtiden får mulighed for at kælke ned ad bakkerne om vinteren og nyde udsigten fra bænkene om sommeren.

Man kan roligt sige, at det bliver et rekreativt område, hvor den højteknologiske forskningsstation møder den lavteknologiske landskabsarkitektur,” siger Jenny Osuldsen.

22

KI G I N DE N FO R PÃ… DT U

M ATER I ALEFO R S K N I N G

DT U FYS I K

DYN AMO

46

09

16

DTU

Her kan man se det usynlige Dette røntgenmikroskop indgår i DTU’s 3D Imaging Center, der et samarbejde mellem DTU Fysik, DTU Energi, DTU Mekanik og DTU Compute. Centret er udstyret med yderst avancerede forskningsfaciliteter til materialeforskning. Her kan industrivirksomheder f.eks. få adgang til at kigge ind i materialer i 3D og i realtid. Hermed kan de opnå en større viden om produkter og materialer og mulighederne for at udvikle og forbedre dem. I tilknytning til Imaging Centeret forbereder DTU’s Industriportal virksomhederne til i samarbejde med forskerne at bruge de store forskningsanlæg ESS og MAX IV i Lund.

Apparatet er i øvrigt en optimeret udgave af Xradia nanoXCT-100.

23

24

KE M I KAL I E DATA BA SE M ATEM AT I S K M O DEL LER I N G

NY KEMIDATABASE

Kend kemien på sekunder Et par klik med musen og nogle mikrosekunders ventetid.

Det er alt, hvad der skal til for at få adgang til et væld af data om mere end 600.000 kemiske stoffer.

DYN AMO

46

09

16

DT U

QSAR QSAR er computermodeller, der kan forudsige egenskaber for kemiske stoffer. Modellerne bygger på eksperimentelle resultater fra laboratorieforsøg og er udviklet af eksperter med kendskab til kemi, biologi, toksikologi, statistik, matematik og datalogi.

QSAR svarer til computermodellering af fly. Her skaber man også en virtuel model og tester den, inden man bygger en rigtig maskine og laver en prøveflyvning.

Den danske QSAR-database indeholder forudsigelsesdata om mere end 600.000 organiske

K aro lin e Law ætz S h u tte rsto ck

V

25

(Quantitative Structure-Activity Relationship)

’small molecules’ (små kemiske forbindelser med kulstofskelet).

Bl.a. fysisk-kemiske egenskaber, miljøskæbne og toksiske effekter.

Fordele og ulemper Der findes andre QSAR-databaser, men de fungerer ikke på samme måde. Her lægger man – stof for stof – selv strukturinformationer ind for at foretage beregninger i QSAR-modellerne. Det er systemer, der udelukkende er beregnet til eksperter.

I den danske version er alle forudsigelserne lavet på forhånd,

irksomheder, der ønsker at benytte sig af nye kemiske stoffer i deres produkter og som har brug for at kende stoffernes egenskaber til bunds, inden produkterne sendes på markedet, kan glæde sig. Det samme kan forskere og myndigheder, der arbejder med f.eks. godkendelse af kemiske stoffer. For den nye danske QSAR-database er den første i verden, der indeholder færdige analyser af stofferne – lige til at hente frem. Databasen har hjemme på DTU Fødevareinstituttets hjemmeside, hvor en kæmpe server er blevet pakket med massive mængder af data og avanceret software gennem de seneste ti år.

så når man slår et kemikalie op og beder om en analyse, henter programmet resultaterne med det samme. Det går hurtigt og giver et stort overblik. Til gengæld er databasen kun anvendelig, hvis den i forvejen kender kemikaliet.

Brugerfladen er let tilgængelig og udviklet, så den fungerer for både eksperter og andre med interesse for kemi, f.eks. studerende eller NGO’er.

En QSAR-analyse kan foretages allerede i den tidlige udviklingsfase af f.eks. nye lægemidler, før man overhovedet har fremstillet et

kemisk stof i laboratoriet og lavet forsøg på celleniveau (in vitro) eller med forsøgsdyr (in vivo). Modellerne sparer altså tid, penge og forsøgsdyr.

Analyserne vil altid være behæftet med en vis usikkerhed i forhold til eksperimentelle tests, men til gengæld kan man kombinere viden fra modeller for mange forskellige egenskaber og derved forbedre nøjagtigheden.

P røv Q SA R h e r : q s a r. fo o d . d t u . d k

Resultatet er en kemidatabase, der er hurtig som lynet og indeholder hidtil usete mængder af information om egenskaberne for mere end 600.000 kemiske stoffer.

Mulighederne med databasen er mange, og for en nybegynder er systemets performance imponerende. Men det virker næsten lidt for nemt – er det virkelig til at stole på? Kan både forsker og menigmand gøre fornuftig brug af resultaterne?

Miljøstyrelsen bruger den dagligt ”Jeg bruger den danske QSAR-database næsten hver dag. Nogle gange til bare at danne mig et overblik over kemiske strukturer, fysisk-kemiske egenskaber eller mulig miljøskæbne for et stof,” fortæller Magnus Løfstedt, der er funktionsleder i kemikalieenheden i Miljøstyrelsen. Han har været med i en gruppe, der har rådgivet DTU Fødevareinstituttet under udvikling af databasen. ”Et kemisk navn siger jo ikke så meget om, hvor giftigt stoffet er – her er QSAR en stor hjælp i hverdagen. Det sparer os en masse tid, men hvis man skal bruge resultatet i forbindelse med f.eks. regulering af et stof, skal der yderligere data på bordet og en ekspertvurdering ovenpå,” understreger Magnus Løfstedt.

Hans job i Miljøstyrelsen er i den grad blevet lettere med den nye version af QSAR-databasen. Det samme kan man sige om tilværelsen blandt forsøgsdyr.

Det begyndte med haletudser De første QSAR-modeller blev lavet for over 100 år siden. Her testede forskerne bedøvelse på haletudser for at finde en sammenhæng mellem stoffernes virkning og kemiske egenskaber.

Det viste sig, at jo mere lipofile stofferne var (altså jo bedre de blandede sig med fedtstoffer), jo bedre bedøvede de. Til behandling af resultaterne brugte man logaritmepapir og blyant.

26

KE M I KAL I E DATA BA SE

M ATEM AT I S K M O DEL LER I N G

Spinout-virksomhed fra DTU Fødevareinstituttet:

Bedre arbejdsmiljø og medicinsk udstyr Vi efterspørger i stigende grad produkter med avancerede egenskaber. Det giver industrien udfordringer i forbindelse med udvikling af metoder, arbejdsgange og ingredienser, der også tilgodeser behovet for sikkerhed.

Det mærker rådgivningsvirksomheden Saxocon, der er ekspert i at hjælpe industrien med analyse af kemiske stoffer. ”Vi får henvendelser fra mange forskellige parter i industrien, og databasen er blevet et vigtigt redskab til at understøtte vores ekspertvurderinger,” fortæller Martin Friis-Mikkelsen, direktør i Saxocon.

Det kan være introduktion af nye kemiske stoffer i arbejdsprocessen eller ingredienser i det færdige produkt, der giver anledning til usikkerhed. ”Med en QSAR-analyse kan vi hurtigt give kunderne et godt grundlag for at beslutte, om de skal droppe introduktionen af et kemisk stof, eller om der f.eks. er behov for yderligere tests, inden de går videre. Det sparer ressourcer hos virksomhederne og gør det meget lettere f.eks. at forbedre arbejdsmiljøet eller udvikle sikre produkter,” forklarer Martin Friis-Mikkelsen.

Han ser et stort potentiale i den nye database. ”Bare inden for produktion af medicinsk udstyr er behovet enormt. Hvordan sikrer vi f.eks., at børn på neonatalafdelingerne kommer i kontakt med så få skadelige stoffer som muligt fra slanger og andet apparatur? Her er QSAR et helt fantastisk redskab,” siger Martin Friis-Mikkelsen. s a xo co n.co m

Takket være moderne QSAR-­ metoder på kraftige computere slipper man for at bruge haletudser som forsøgsdyr. Systemet er nemlig i stand til at forudsige, hvordan et stof vil opføre sig i forsøg – uden det nogensinde er prøvet af i laboratoriet.

Jo bedre QSAR-analyserne er, jo færre forsøgsdyr er der altså behov for. Det kræver til gengæld toptunede matematiske modeller.

Ligesom vejrudsigter De matematiske modeller i den danske QSAR-database kan forudsige, om et stof vil være skadeligt eller ej, og det er bl.a. muligheden for nem adgang til disse analyser, der gør systemet unikt. ”En model tager udgangspunkt i eksisterende målinger, akkurat som når

man laver en vejrudsigt. Vi forsøger altså at finde målinger, der præcis fortæller os det, vi har brug for at vide om et kemisk stof,” fortæller Eva Bay Wedebye, specialkonsulent på DTU Fødevareinstituttet. Hun har været projektleder på arbejdet med den danske QSAR-database, næsten lige siden arbejdet påbegyndte i slutningen af 90’erne.

En model bygger på et træningssæt for en effekt, f.eks. om stoffer er østrogenlignende i laboratorieforsøg. Har man f.eks. 500 kendte stoffer, der er testet i en bestemt forsøgsprotokol i laboratoriet, kan man ud fra resultaterne lave en model, der kan forudsige effekten af ukendte stoffer.

Målet er at identificere de kemiske egenskaber, der gør, at nogle af de 500 kendte stoffer er østrogenlignende, mens andre ikke er. De kendte stoffer bliver analyseret på alle mulige måder, og sådan træner man computeren i at skelne mellem problematiske og ikkeproblematiske kemiske forbindelser.

For at øge troværdigheden af analyserne stiller den danske QSAR-database resultaterne fra tre forskellige slags software til rådighed for brugerne, så man kan se, om de forskellige modeller giver samme resultat. Derudover tilbyder systemet en overordnet forudsigelse baseret på resultaterne fra alle tre systemer.

Laboratorieforsøgene, som er udgangspunktet for QSAR, er som bekendt altid behæftet med en vis usikkerhed. Det samme er tilfældet for den matematiske modellering, og derfor er analyserne ikke 100 procent sikre. ”QSAR-analyser kan til visse formål ikke stå alene, men de kan være værdifulde redskaber til eksempelvis at planlægge eller supplere laboratorieforsøg,” siger Eva Bay Wedebye.

Ikke kun til eksperter Man skal vide lidt om kemi for at have glæde af analyserne, men brugerfladen i den nye version er blevet let tilgængelig for mange.

Databasen er gratis at benytte, og funktionerne er blevet præsenteret for en lang række potentielle brugere inden for forskning, regulering, industri og NGO. I den kommende tid får også universitetsstuderende og folkeskoleelever en introduktion.

E va Bay Wed eb ye, s p ec ia l ko n s u l ent , DTU Fø d eva rein st it u t t et , eb a we @ fo o d . d t u . d k

STARTUPS

NYHE D E R

DY N A M O

46

09

16

27

DTU

DENC RY PT

Spinout leverer kryptering til Forsvaret Spinout-virksomheden Dencrypt har indgået en aftale om at levere krypteringsmoduler til såkaldt klassificeret kommunikation til Forsvarsministeriet. Kontrakten har en værdi af 30 mio. kr. og omfatter levering, certificering og videreudvikling af krypteringsmoduler til Forsvarets mobiltelefoner, men vil også beskytte anden digital kommunikation som f.eks. Forsvarets e-mailkorrespondance, chat og sms. Dencrypts særlige krypteringsteknologi er

N AN OVI

mere robust end andre systemer, da den er baseret på ’dynamisk kryptering’. Det betyder, at systemet vælger en ny algoritme, hver gang der foretages et nyt mobilopkald. Herved bliver det ekstra vanskeligt at bryde koden, da man ud over at knække krypteringsnøglen også skal opklares selve krypteringsmetoden. Dynamisk kryptering er udviklet af professor Lars Ramkilde Knudsen, DTU Compute, som også står bag spinout-virksomheden. d enc rypt.eu æs mere o m D en c rypt i D yn a mo n r.

L 39, kortlink. d k / mtc p

NY TEKNOLOGI TIL KRÆFTBEHANDLING Medikovirksomheden Nanovi, der er et spinout fra DTU Nanotech, lancerer nu sit første produkt til forbedring af strålebehandling af kræftpatienter. Virksomhedens produkt, BioXmark, er nemlig blevet godkendt og kan nu markedsføres i EU. Det vil komme tusindvis af kræftpatienter med lungetumorer og kræft i spiserøret til gode.

BioXmark er en bionedbrydelig tumormarkør, der kan injiceres i kræftknuden på patienter og derved gøre tumoren synlig for lægerne på behandlingstidspunktet. Markøren kan på den måde forbedre præcisionen af stråleterapi, gøre behandlingen af kræftpatienter bedre og reducere bivirkningerne.

De sidste par år er BioXmark blevet klinisk testet på lungekræftpatienter og patienter med kræft i spiserøret på Rigshospitalet. Her har resultaterne vist, at produktet er stabilt, veltolereret og nemt at bruge. Den nye markør er ved injektion flydende og kan derfor placeres i patienten gennem ganske tynde nåle. Herefter forvandler den sig til en gel, som kroppen selv nedbryder til ufarlige sukkerstoffer i løbet af et par år. Bag forskningen står professor Thomas Lars Andresen og hans forskergruppe fra DTU Nanotech.

84 patentidéer er indbe­ rettet på DTU siden 1. januar 2016.

n a n ovi. co m æ s mere o m N a n ovis t ek n o lo gi i D y n a m o n r. 3 8 , L ko rt l in k . d k / mtd 4

PICODAT

Studerende udvikler solcelleberegner I Lyngby-Taarbæk Kommune kan det betale sig at sætte solceller på de fleste huse. Det kunne man se i den første udgave af hjemmesiden Sunmapper.dk, som fem studerende fra DTU Compute og en fra CBS står bag. Nu er værktøjet videreudviklet til at dække hele Danmark.

Idéen til solcelleberegneren opstod ved DTU’s Big Data Hackathon-konkurrence i 2014, hvor Lyngby-Taarbæk Kommune

stillede data til rådighed for de studerende, så de kunne hjælpe med at udvikle løsninger på reelle samfundsudfordringer.

De seks studerende fik den idé at kortlægge taghældninger på alle bygninger i kommunen og koble dem med økonomiske beregninger af, hvor meget et solcelleanlæg i hvert enkelt tilfælde ville

koste, hvor meget CO2 og el det kunne spare, og hvornår investeringen ville være tjent hjem.

Idéen var så god, at gruppen vandt førstepræmien i Hackathonkonkurrencen. Og siden er vinderne blevet færdige med deres uddannelse og har

stiftet virksomheden Picodat, som nu tilbyder værktøjet Sunmapper. dk til alle adresser i Danmark. s u n ma p p e r. d k

Lo u is e Simo n s en , M a ria n n e Va n g Ryd e, C h rist in a Tæ k ker

U l rik J a nt ze n , S h u t t e r sto c k , Na n ov i

28

N YE M ATE RI ALE R

G R A FEN

Mikroskop

Glasplade med polymergriber Mikromanipulator: Her bliver en glasplade med polymer lagt ind på en prøveholder.

Prøveholder af aluminium

DTU-forskere har udviklet en metode til at opbygge atomtynde materialer. Det giver mulighed for at udvikle materialer med helt nye egenskaber.

NY METODE TIL AT BYGGE

M

ed opfindelsen af elektronmikroskopet for 90 år siden begyndte vi for første gang at kunne ’se’ naturens mikroskopiske bestanddele på nanoskala. Efterhånden har forskere inden for mange fagdiscipliner ønsket ikke bare at studere naturens mindste bestanddele, men også at bruge dem som byggeklodser. Nanoteknologiens ultimative drøm er at blive i stand til at arrangere de enkelte atomer og derved skabe materialer med hidtil ukendte egenskaber.

Vidundermaterialet grafen Et vigtigt skridt på vejen blev taget i 2004, da det lykkedes Andre Geim og Konstantin Novoselov fra Manchester Universitet at isolere grafen, som er

Tom Nervil Kirc hgassner.d k ,

Shutterstoc k

et atomtyndt lag af kulstofatomer.

Selvom grafen er en bestanddel af et yderst velkendt materiale – nemlig grafit – har det en lang række overraskende egenskaber. Det kan tåle højere temperaturer end noget andet materiale, helt op til 4.500 grader C. Det er uigennemtrængeligt selv for de mindste atomer, brint og helium. Derudover er grafen 100 gange stærkere end stål og bedre til at lede varme og strøm end kobber. Da det er så utrolig tyndt, kan lys passere igennem uden at miste mere end 2 % intensitet. Det er ikke så mærkeligt, at både forskere og industrielle virksomheder har kastet sig over materialet. Grafen kan i dag produceres i tonsvis og er på vej i en række kommercielle produkter.

De første mobiltelefoner med grafen-touchskærm produceres allerede

i Kina, og DTU er involveret i store danske og internationale samarbejdsprojekter om kommercielle anvendelser af grafen.

Flere mærkværdige materialer Det er siden gået op for forskerne, at grafen måske nok er enestående, men ikke det eneste atomtynde materiale. ”Det helt vilde er, at grafen blot er ét ud af flere tusinde materialer, der er todimensionale. Og disse materialer tilbyder en ufattelig bred vifte af egenskaber, der dækker over alt, hvad man kan ønske sig,” fortæller Peter Bøggild, der er professor på DTU Nanotech. ”Det kæmpe potentiale for disse mærkværdige materialer bliver først for alvor udløst, når man begynder at sammensætte dem. Og det kan vi nu gøre med atomar præcision her på DTU.”

DY N A M O

46

09

16

29

DTU

SÅDAN KAN MAN BYGGE MATERIALER I 2D DTU Nanotech har udviklet en metode, hvor atomtynde 2D-materialer nanolamineres lag for lag uden at gå i stykker. Her er opskriften på, hvordan grafen kombineres med et isolerende lag af 2D-materialet bornitrid, der beskytter grafen mod ydre påvirkninger og gør grafen-elektronik langt hurtigere.

1

PDMS: Polydimethylsiloxane PPC: Polypropylen-karbonat

Pick-up:

Glaspladen med polymergriberen bringes i kontakt med en flage af bornitrid, der ligger på overfladen af prøvehol­ deren. PPC-polymeren skifter fra solid til klistret, når man går fra 30 til 55 grader.

2

Glasplade PDMS PPC

40º

55º

Køling:

Ved nedkøling til 40 grader eller derunder bliver po­ lymeren solid igen, og bornitrid kan nu samles op.

Bornitrid

Aluminium

3

Drop-down:

Bornitriden kan nu sænkes ned over et grafen-lag ved en tem­ peratur på 110 grader.

Vand fordamper fra overfladen, mens urenheder og snavs klemmes ud. (a). Derefter trækkes polymergriberen for­ sigtigt af igen og efter­ lader det lagdelte materi­ ale på overfladen. (b)

a

170º PPC

110º

Bornitrid

Grafén

Grafén

b

MED ATOMER Peter Bøggild og hans forskergruppe har nemlig udviklet en ny metode til at lægge atomtynde 2D-materialer lagvis uden at beskadige lagene. ”Man kan sammenligne det lidt med et laminatgulv. De forskellige komponenter – folier og forskellige trælag – giver tilsammen høj brudstyrke, let vedligeholdelse, isolering af varme og stor fleksibilitet, men det fremstår som et enkelt produkt. Det er det samme, vi nu kan gøre på atomart niveau,” fortæller Peter Bøggild.

Når man laminerer de atomtynde lag, kan man skræddersy de elektriske, optiske og mekaniske egenskaber på en ny måde. Det har imidlertid været en udfordring at lægge de todimensionale lag oven på hinanden, uden at der kom forurening som f.eks. utilsigtede partikler, bobler og molekyler ind imellem

lagene, da det let kan ødelægge egenskaberne. ”Så vi satte os for at finde en løsning,” siger Peter Bøggild. ”To af vores ph.d.-studerende besøgte den førende gruppe ved Columbia Universitet i New York for at lære, hvordan gruppens nyudviklede metode til at opbygge atomlag fungerede. Under opholdet havde vores ph.d.er ikke bare lært metoden, men også tilført en række afgørende forbedringer, noget, som vi under ét kalder ’hot pickup’,” siger han.

Temperaturen er afgørende Metoden består i en nøjagtig styring af temperaturen til at variere tiltrækningskræfterne mellem ’hånden’, der opsamler og placerer atomlagene, samt i opvarmning under ’lamineringen’ for

4

Bagning:

Ved at opvar­ me stakken af atom­ tynde film til mellem 130 og 170 grader skabes en god bin­ ding mellem lagene, så de opfører sig som en enhed.

at bortskaffe urenheder mellem lagene.

Den forbedrede kontrol betyder, at man kan opbygge tredimensionale arkitekturer, hvor atomlagene er forbundne ikke bare horisontalt, men også vertikalt. En anden fordel er, at metoden er relativt nem at mestre og giver forudsigelige resultater. Peter Bøggild forventer derfor, at flere forskningsgrupper kan komme i gang med at opbygge komplekse strukturer af atomlag på højt niveau. ”Der er allerede produceret solceller, sensorer og lysdioder med de todimensionale supermaterialer, men det er blot begyndelsen. Med de næsten uendelig mange materialekombinationer, vi kan lave ved opbygning af strukturer med individuelle atomlag, er vi i en situation, hvor det måske først og fremmest er vores forestillingsevne, der begrænser os. Vi taler om 2.500 forskellige stoffer, der har det tilfælles, at de nu kan kombineres frit uden begrænsninger på atomart niveau. Set i et materialeforskningsperspektiv er det en begivenhed, der vil få vidtrækkende konsekvenser,” slutter Peter Bøggild. et er Bø g g il d, p rofe sso r, DT U Na n ot e c h , P p et er. b o g g il d @ n a n ot e c h . d t u . d k

30

C E LLE FA B RI KKE R

NYE L Æ G EM I DLER

Bioreaktor med et forsøg, hvor hamsterceller er i gang med at producere lægemidlet rituximab, der bruges til leukæmipatienter.

Hamsterceller producerer medicin Hvad i alverden har kinesiske hamstre med lægemidler at gøre?

Faktisk en hel del. Hamsterceller kan nemlig programmeres til at producere lægemidler mod f.eks. kræft på en bæredygtig måde.

An ne Ly kke U l r ik Jantze n

E

n mørk decembernat i 1948 begav den amerikanske forsker Robert Briggs Watson sig ud på en farefuld 11-timers køretur mod Shanghai Lufthavn for at undslippe Maos kommunistiske regime. Regnen slog på bilens ruder, og mudderskred truede med at blokere vejen.

Det lykkedes Watson at komme ombord på et af de sidste Pan Am-fly ud af Kina. Med sig havde han en

uanseelig transportkasse, som senere skulle vise sig at indeholde nøglen til nutidens medicinproduktion: 20 kinesiske hamstere. Ændrer generne for at producere kræftmedicin At bioteknologer senere skulle isolere celler fra hunhamsteres æggestokke, dyrke cellerne, modificere deres gener og bruge dem til at producere lægemidler med, havde Watson nok ikke forudset, da han

DTU

DY N A M O

46

09

16

31

bar sin levende bagage ombord på flyet.

I dag ved vi, at cellerne er relativt lette at dyrke, og at deres gener kan modificeres, så de producerer kræftmedicin, blødermedicin, psoriasismedicin og hormoner.

I et laboratorium på DTU Biosustain kører en såkaldt bioreaktor.

Maskinen er lydløs, og kun en computerskærm afslører, hvordan de såkaldte CHO-celler (CHO står for Chinese Hamster Ovary) performer.

Utallige plastslanger snor sig ind og ud mellem hinanden og forsyner cellerne med de rette næringsstoffer.

Cellerne i netop dette forsøg producerer medicinen rituximab – et monoklonalt antistof, der får immunforsvarets B-celler til at dø.

For raske mennesker ville stoffet være farligt, men for f.eks. leukæmipatienter, hvis B-celler er hyperaktive, fungerer forkert eller produceres i for stort antal, er rituximab livsvigtigt. ”Det ser rigtig godt ud,” siger seniorforsker Helene Faustrup Kildegaard og peger på grafen på skærmen.

Cellen er en fabrik DTU Biosustain er et internationalt forskningscenter med sektioner i både Sverige og USA. De seneste år har centeret arbejdet intenst på at etablere en stor enhed, der udelukkende arbejder med CHO-celler. Et af forskernes mål er at presse flere næringsstoffer til at ende som f.eks. kræftmedicin i cellen i stedet for som ’uinteressante’ proteiner. ”Vi ser cellen som en fabrik, og vores opgave er at pille alle de maskiner ud, som ikke er involveret i at producere det ønskede medikament. Vi vil kun have de maskiner i fabrikken, der er strengt nødvendige,” siger direktør for CHOkerne­enheden Bjørn Voldborg.

32

En af de ting, der har gjort det muligt at udføre specifikke ændringer i CHO-cellers stofskifte, er, at forskerne har kortlagt hele CHO-cellens arvemasse.

Hemmeligheden ligger i sukkeret CHO-cellerne producerer oftest lægemidler, som er store, komplekse proteiner. Udfordringen er, at proteinerne ikke altid ligner menneskers 100 procent. Det skyldes, at cellen ’udsmykker’ proteinet med nogle antennelignende sukkergrupper. Og hamstercelle-antenner ligner ikke menneskecelle-antenner. Derfor risikerer patienter at få en allergisk reaktion, da immunforsvaret vurderer, at proteinet stammer fra en fremmed organisme.

CE LLE FABR IK KE R

Men nu kan forskerne i langt højere grad end før styre processen: ”Vi har fundet en måde at tvinge cellen til primært at bygge de rigtige sukkerstoffer, så den kun har de korrekte ’antenner’ til rådighed. På den måde bliver produktet oftere rigtigt og dermed langt renere end før,” siger Bjørn Voldborg.

Brug for højt kvalificeret arbejdskraft CHO-fremstillede lægemidler omsætter i dag for et tocifret milliardbeløb i dollars om året på verdensplan.

Og over halvdelen af de bedst sælgende antistoffer mod kræft produceres i CHO-celler. Forskning i CHO-celler er altså afgørende – også for industrien.

Dyreceller sikrere end menneskeceller Grunden til, at forskerne programmerer dyreceller til at producere lægemidler, er, at menneskeceller kan være smittet med virus som hiv og hepatitis. Virusserne kan overføres til lægemidlet, og derfor er det sikrere, at medicinen produceres i dyreceller.

Helene Faustrup Kildegaard er en af forskerne, der ’tvin­ ger’ dyreceller til at producere stoffer, som f.eks. kan bruges i kræftmedicin.

Bakteriefiasko gav hamsterceller chancen Forskerne rettede først for alvor opmærksomheden mod CHO-celler i begyndelsen af 1980’erne, da de indså bakteriers begrænsninger. I slutningen af 1970’erne havde firmaet Genentech ellers stor succes med at genmodificere E. coli-bakterier, så de kunne producere medicinske peptidhormoner: først insulin til sukkersygepatienter og derefter humant væksthormon.

Men da forskerne satte E. coli til at producere blodproteinet tPA mod hjerteanfald, var resultatet markant anderledes. Cellerne producerede meget lidt tPA, og proteinet virkede ikke, fordi det var foldet forkert. Derfor indså forskerne, at de måtte producere komplekse humane proteiner i celler, der i langt højere grad lignede menneskeceller.

NYE LÆG E MI D LE R

”CHO-celler er et velkendt og anerkendt system til at udtrykke proteiner i.

Før havde man måske en koncentration af sit ønskede produkt på 0,1-1 gram pr. liter, hvor vi nu er oppe på 2-5 gram pr. liter. Så produktiviteten er blevet forbedret væsentligt takket være forskning og udvikling,” siger vicedirektør Torben P. Frandsen fra biotekvirksomheden CMC, der arbejder med bl.a.

CHO-celler. Han fortsætter: ”Vi oplever også, at det er svært at få højt kvalificeret arbejdskraft, og derfor er det afgørende for os, at der bliver uddannet dygtige forskere på CHO-området.”

DNA-saks åbner den sorte boks Indtil for fire år siden var det at designe en CHO-cellefabrik lidt som at hælde møtrikker og skruer ind i en sort boks, ryste boksen og håbe på, at stumperne var blevet til en radio. Forskerne kunne nemlig ikke vælge, hvor de ville sætte gener ind. Tilfældigheder afgjorde, om genet satte sig ind et sted i arvemassen, hvor cellen kunne bruge det. Når forskerne skulle ødelægge funktionen af gener, var det tilmed besværligt og dyrt – udgiften kunne være op mod 35.000 kr. pr. gen-ændring.

For tre-fire år siden så en ny teknologi – CRISPR-Cas9 – pludselig dagens lys. Med den kunne forskerne nu klippe DNA’et, præcis hvor de ønskede det. Og lige så vigtigt: Den stump genetisk kode, som klipningen kræver – såkaldt gRNA – kostede kun et par hundrede kroner. De seneste år har forskere fra DTU Biosustain arbejdet intenst på at optimere teknologien til brug i CHO-celler. ”CRISPR har gjort, at vi nu kan se ind i den sorte boks og hurtigere aflure, hvilke gener der styrer hvad. Vi kan systematisk slå gener ud og sætte fremmede gener ind. Metoden har revolutioneret forskningen,” siger Helene Faustrup Kildegaard. el en e F a u st ru p K i ld e ga a rd , se n i o r fo r ske r, H DTU Bio s u st a in , h ef @ b i o su st a i n . d t u . d k jø rn Vo l d b o rg , d i re k tø r, C HO C e ll L i n e B D evel o p ment , DTU B i o su st a i n , b g rv@ b io s u st a in . dt u . d k e f il m o m DTU ’ s a r b e j d e m e d c e lle ­ S f a b rik ker h er: ko rt li n k . d k / n 3 6 2

LASERTEK N OLOGI

B I OFOTON I K

DY N A M O

46

09

16

DTU

33

Laserstyrede mikrorobotter udforsker celler En helt ny generation af mikrorobotter kan optage, flytte og aflevere væsker og partikler. Det baner vejen for nye måder at udforske og manipulere med celler.

Lotte K ru ll Je sp e r G l ü ckstad

L

ight Robotics kalder forskergruppen fra DTU Fotonik sin nye generation af laserstyrede mikrorobotter. Light som i betydningen lille og let, men også i betydningen lys. Det er nemlig laserlys, der er den gennemgående ingrediens i den nye teknologi – lige fra den avancerede 3D-laserprintning af mikrorobotterne over at

gøre dem i stand til at løse forskellige opgaver til den efterfølgende navigering af robotterne.

Robotterne måler kun 40 x 40 mikrometer og kan udstyres med forskellige funktionaliteter, der gør dem i stand til at løse en række varierende opgaver, f.eks. i forbindelse med udforskning af celler. De kan optage, flytte og aflevere mikroskopisk

Mikrorobotter med sonder i nanostørrelse kan transportere og injicere væsker og partikler direkte ind i levende celler.

gods som væsker og partikler. Det sker ved, at en mikrorobot udstyres med en stilk­lignende sonde, der kan 3D-printes ned til 25 nanometer.

Kan udforske levende celler Tidligere generationer af mikrorobotter har bl.a. været udstyret med et lille stykke optisk fiber, der egenhændigt kan guide laserlys, som kan bruges

34

LASE RTE KNOLOG I B I O FOTO N I K

TOPHUL diameter 8 μm

MIKROSKOPISK GODSTRANSPORT

INDERSIDEN af mikrorobotten belægges under fremstillingsprocessen med først et tyndt lag titan med en tykkelse på 1 nm og dernæst med et lag af guld med en tykkelse på 5 nm.

Mikrorobotten kan bruges til at transportere stoffer, ved at den ’optager’ stoffet (forskergruppen brugte i deres forsøg små siliciumog polystyrenkugler), hvorefter robotten kan styres til et nyt sted, hvor den afleverer sit fragtgods.

Mikrorobotterne er forsynet med to huller; et lille hul med en diameter på 6 μm i mikrorobottens spidse ende bruges til at føre materiale ind og ud af mikrorobotten, og et lidt større hul foroven på mikrorobotten med en diameter på 8 μm bruges til at regulere, hvordan dette sker.

til f.eks. at skære hul eller at hele et meget lille snit i en cellemembran.

Brugen af laserlys til at styre robotternes funktioner betyder, at de p.t. bedst bruges uden for levende organismer. Dvs. at mikrorobotterne på nuværende tidspunkt ikke er direkte egnet til at injicere i et menneske med f.eks. drug delivery for øje. Men potentialet for robotternes anvendelse uden for menneskekroppen er allerede stor, vurderer professor Jesper Glückstad, som står i spidsen for den forskergruppe, der har opfundet og udviklet den mikroskopiske teknologi:

STYREKUGLER diameter på 3-4 μm. Ved at rette laserstråler mod disse styrekugler kan mikro­robotten vendes, drejes og styres rundt med stor nøjagtighed.

TUD diameter 6 μm.

KUGLE AF SILICIUM ELLER POLYSTYREN diameter 1-2 μm.

”Vores laserstyrede mikrorobotter kan blive det nye værktøj, som gør det muligt at forstå biologi helt ned i nanoskala. Som frit flydende droner kan de overvåge processer i levende celler med en hidtil uhørt præcision.

De kan levere målrettede stimuli – kemiske, mekaniske og optiske – til cellerne, og det kan medvirke til at udvide vores forståelse af cellers opførsel i deres naturlige 3D-miljø.

F.eks. kan de blive et nyttigt redskab i forbindelse med udforskning af stamceller eller såkaldte cirkulerende tumorceller, som er de celler, der

Sværme af mikroro­ botter vil som små medicinske teams kunne angribe f.eks. cirkulerende kræftcel­ ler i blodbanen.

spreder en cancer via blodbanen hos en kræftpatient.”

Skal udstyres med kunstig intelligens Forskergruppen fortsætter udviklingen af robotterne, bl.a. ved at udstyre dem med nye funktioner. Håbet er også at kunne koble kunstig intelligens til robotterne, så de kan arbejde sammen i en mindre sværm, fortæller Jesper Glückstad. Han uddyber: ”Fremtidsvisionen er at kunne anvende robotterne samtidig og i et samspil med forskellige nano- og

DY NAM O

46

09

16

1 ROBOTTEN LASTES Bunden af mikrorobottens indre er belagt med et lag af titan på en nanometer og dernæst et lag af guld på fem nanometer. Ved at sende en laserstråle igennem et hul på toppen af robotkroppen opvarmes metallerne, og der opstår en mikroboble inden i kroppen som følge af opvarmningen. Samtidig udvikles der varmestrømme i robottens indre (konvektionsstrømme), der er stærke nok til at trække en partikel uden for robotten hen til dens snabellignende sonde og videre ind i robottens indre. Partiklen hæfter sig til mikroboblen på grund af overfladespændingen.

35

DTU

3 ROBOTTEN AFLÆSSES Når robotten når frem til sit bestemmelsessted, kan den aflæsse sit fragtgods. Det sker ved at bevæge laserstrålen rundt på robottens krop. Det forstyrrer mikroboblen, der begynder at pumpe væsker sammen med partiklen ud af robottens indre.

2 STYRING AF ROBOTTEN Med sin last kan robotten dirigeres til et nyt sted. Ved at sende laserstråler ind på en eller flere af de fire styrekugler er det muligt at flytte rundt på robotten og samtidig styre den i alle tre dimensioner.

OPTOROBOTIX OptoRobotix ApS er en spinout-virksomhed fra forskergruppen Programmable Phase Optics ved DTU Fotonik. Virksomheden blev etableret i 2011.

mikrofunktionaliteter. De vil kunne sættes ind i en mindre sværm, hvor den enkelte robot er specialiseret til at løse en enkelt opgave, f.eks. at åbne et nanoskopisk hul i en cellemembran, aflevere et medikament eller lukke cellemembranen igen. Tilsammen vil den lille sværm af computerstyrede mikrorobotter være et toptrimmet medicinsk team i mikroskopisk størrelse med celler på operationsbordet i fuld 3D.” Fotonikforskerne har kombineret viden og teknologier fra de tre videnskabelige felter fotonik, nanoteknologi

og bioteknologi i udviklingen af de nye 3D-printede mikrorobotter. Teknologien skal kommercialiseres af virksomheden OptoRobotix, som er en spin­ out-virksomhed fra forskergruppen bag mikrorobotterne.

J es p er Gl ü c k st a d , p rofe sso r, l ed er af P ro gra m m a b le P h a se O pt i c s, DTU Foto n ik , j e k r @ foto n i k . d t u . d k pf in d el s en af d e n se n e st e ge n e rat i o n af O mik ro ro b ot t er n e o g p ræse nt at i o n af d e re s nyest e f u n k t i o n a li t et e r b lev of fe nt li ggj o r t i N at u re- t id s sk r i f t et ’ L i ght : S c i e n c e & A p p l ic at io n s ’ (LSA ) i m a j 2 0 1 6 .

36

I NTE RV I E W VERDENS MEST CITEREDE KEMIKER

Hvorfor skulle kemikere ikke opfinde robotter?

H.C. Ørsted-forelæsninger To gange om året inviterer DTU fremtrædende internationale forskere til at forelæse om deres arbejde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde ved de såkaldte Ørsted Lectures.

Forelæsningerne er åbne for alle.

Se eller gense nogle af de tidligere forelæsninger, og få information om kommende forelæsninger her: dtu.dk/HCOerst ed - Lec t u re

DYNAM O

46

09

1 6

DTU

Mød George M. Whitesides, der giver universiteternes ’bunker’-tankegang en ordentlig opsang. Selv er den 76-årige forsker verdens mest citerede kemiker, som holder snuden i sporet ved konstant at have fokus på anvendelsen af kemien.

Mo rte n An d e rse n Tho rkil d Am d i C hristensen

H

vem siger, at en kemiker ikke kan opfinde en robot?

Det er netop, hvad George M. Whitesides og hans kolleger ved Harvard University har tænkt sig. ”Forestil dig en robot med arme, der er bløde, fleksible og alligevel stærke. Sådan en robot vil kunne løse mange af de udfordringer, som vi har med stadig flere syge og flere ældre, der kræver pleje. Det emne har jeg jo efterhånden fået en vis personlig interesse i,” smiler Whitesides, der er født i 1939.

”Der er brug for assistance til sygeplejersker og hjemmehjælpere, men opgaven er meget kompleks.

Til dato er der ingen robotter, der kan matche vores hænder.”

Han lægger sin højre hånd ned på bordet med håndfladen op.

Bruger den venstre til at udpege de underliggende strukturer. Blodårer, muskler, knogler. ”Hånden er et fantastisk instrument. Den kan både udføre helt fine bevægelser, hvor den flytter sarte genstande, og den kan udføre kraftfuldt arbejde som at slå med en hammer. Traditionelle hårde robotter kan ikke dække hele det spektrum. Vores tanke er at finde inspiration i dyreriget.”

Trods sine 76 år er Whitesides langt fra på vej på pensi­ on. Faktisk er han i fuld gang med at revolutionere robotteknologien.

Inspireret af blæksprutter Forskerholdet lader sig især inspirere af de tiarmede blæksprutter. ”For det første klarer de sig uden at have et skelet, og for det andet har de tiarmede blæksprutter to tentakler, der lever op til mange af de egenskaber, vi efterlyser. Vi spurgte os selv, om det var muligt at efterligne tentaklernes opbygning.

Og faktisk viste det sig at være relativt let.”

George Whitesides er verdens mest citerede nulevende kemiker.

Det betyder imidlertid ikke, at han bare kan sende et nyt manuskript

37

til et videnskabeligt tidsskrift og få det antaget. ”Vi havde virkelig svært ved at få vores første videnskabelige artikel om robotteknologi publiceret. Vel er det utraditionelt, at kemikere vil opfinde robotter, men så tosset er det altså heller ikke. Der er ingen tvivl om, at det vil forudsætte gennembrud inden for materialeforskning at opnå det, vi tænker på. Det er der masser af kemi i.

Nærmere bestemt må man udnytte nye metoder inden for organisk kemi. Alligevel antydede flere, at vi måtte være skøre. Men heldigvis har jeg nået en alder, hvor jeg er ligeglad med, hvad folk tænker!”

Netop den indstilling skabte røre blandt kollegerne i 2011.

Verden over blev kemiåret fejret med taler og artikler, der hyldede fagets betydning for det moderne samfund. Men Whitesides valgte sammen med John M. Deutch, der også er kemiker og desuden tidligere amerikansk viceforsvarsminister og tidligere direktør for CIA, at skrive en artikel i Nature, hvor de peger på en række problemer i den måde, universiteterne driver kemisk forskning på.

Bryd ud af institutbunkeren I Nature-artiklen hævder Whitesides og Deutch, at den akademiske kemi er blevet splittet op i for mange underdiscipliner, som arbejder for lidt sammen. I stedet bør man gå den stik modsatte vej – og lade kemien arbejde sammen med helt andre discipliner.

George Whitesides medgiver, at der findes eksempler på nyere tværgående felter. Det gælder især bioteknologi og materialeforskning. ”Men i tider, hvor der er knaphed på forskningsmidler, er der desværre en tendens til, at man søger tilbage i de bunkere, som institutterne udgør. Man holder sig til det sikre. Jeg mener jo, at tiden netop kalder på det modsatte.”

38

I NTE RV I E W VER DEN S M ES T C I TER EDE KEM I KER

Formålet med Nature-artiklen var imidlertid ikke at opnå en ny struktur, men at ændre forskernes tankegang. ”I stedet for at designe projekter, der forlænger eksisterende forskning, bør man tage udgangspunkt i det problem, som man ønsker at løse. Robotterne til plejesektoren er et godt eksempel på det. Vi er startet med udfordringen og har kastet os ud i det, selvom vi i princippet ikke anede noget som helst om området på forhånd.”

En afledt fordel er, at projekter, der udspringer af samfundsmæssige behov for løsninger, gør det lettere for industrien at deltage.

F.eks. er katalyse og polymertek­ nologi felter, hvor det i høj grad er industrien, som har været med til at finde løsningerne.

For mange centerdannelser Whitesides og Deutch revser desuden tendensen til at lappe på de strukturelle problemer i forsk-

”Når en teknologi kommer til et vist stadie, er det på tide at overlade det videre arbejde til industrien.

Universiteternes rolle skal altid være at komme med nye idéer.”

G E O R G E M . W H I T E S I D E S , P R O F E S S O R , H A V A R D U N I V E R S I T Y, U S A

ningen ved at oprette tværfaglige programmer og ’centre uden mure’. ”Regeringer og myndigheder ser den type initiativer som håndtag, man kan dreje på for at skrue op og ned for bestemte typer forskning.

Men desværre fungerer universiteterne ikke på den måde,” siger Whitesides. Han erkender dog, at kritikken i artiklen måske var lidt firkantet: ”Jeg vil gerne understrege, at der er mange eksempler på centerdannelser, der har virket godt. Når et center har en dygtig ledelse og et

Havardprofessoren trak fulde huse, da han holdt forelæsning om ’soft robots’ på DTU i foråret.

klart mål, kan det være en virkelig effektiv og ikke voldsomt dyr måde at opnå fremskridt.” ”Ofte bliver centre imidlertid oprettet, fordi man ønsker et givent problem løst, men uden en idé om, hvilke løsninger man vil gå efter. Så ender det let med, at de deltagende parter egentlig bare udfører den samme forskning, som de hver især laver i forvejen, indtil pengene er brugt op.”

Et positivt eksempel finder han i amerikanske Bell Labs, der står bag flere gennembrud inden for teknologi til telekommunikation. ”Bell Labs lykkedes så godt, fordi de på forhånd havde en klar opfattelse af, hvilket mål de skulle nå, og samtidig i hvilken retning de skulle lede efter svarene. Nemlig ved at skifte fra elektronisk dataoverførsel til optisk.”

Unge bliver udnyttet, ikke oplært På finansieringssiden er et vellykket amerikansk initiativ National Institutes of Health, som er et tværgående forskningsprogram for sundhedsområdet. ”Her er tale om en langvarig satsning. På den måde bliver dygtige, unge forskere motiveret til at turde satse på sundhedsområdet.”

Netop de unge forskeres muligheder betyder meget for George Whitesides. ”Der er en tendens til, at de unge forskere bliver udnyttet til at udføre

DYN AMO

46

09

16

vejledernes forskning snarere end at blive uddannet. Vi bør finde nye modeller med større spillerum for, at det er de unge forskere selv, der kommer med idéerne. Det vil helt sikkert give mere originale idéer.” ”Det betyder selvfølgelig ikke, at vi ældre forskere bliver overflødige. Vi kan også bringe noget til bordet, simpelthen fordi vi har nået at opleve mere. Her tænker jeg ikke mindst på erfaringer, der ligger uden for selve forskningen.

F.eks. er det godt at vide noget om, hvordan lovgivningsprocessen fungerer, og også den økonomiske virkelighed, som industrien opererer i. Forståelse for offentlig forvaltning og for økonomi kan være helt afgørende for, at man rammer rigtigt med sine forskningsidéer.”

Har opgivet energiforskningen Når man ser på George Whitesides karriere, er det tydeligt, at han selv har fulgt den opskrift, som han anbefaler andre. Der er en høj grad af tværfaglighed i forskningen.

Hans navn er knyttet til så forskellige discipliner som NMR-spektroskopi, organometallisk kemi, molekylær selvorganisering, blød litografi, mikrosystemer og nanoteknologi. Sidst, men ikke mindst har han ca. hvert tiende år foretaget markante skift, hvor han er begyndt at jagte løsninger på helt anderledes problemer. ”Når en teknologi kommer til et vist stadie, er det på tide at overlade det videre arbejde til industrien.

Universiteternes rolle skal altid være at komme med nye idéer.”

Det seneste skift til bløde velfærdsrobotter er svagt antydet i Nature-artiklen fra 2011, hvor sundhedsteknologi bliver nævnt.

Energiområdet fylder imidlertid langt mere i artiklen. Men her løb George Whitesides højst usædvanligt panden mod en mur.

DTU

Studerende på DTU fik lejlighed til at møde den utraditionelle kemiker, hvis ’soft ro­ bots’ måske vil revolu­ tionere plejesektoren.

BLÅ BOG George M. Whitesides er professor i kemi ved Harvard University, USA. Ifølge indekset Hirsch er han den mest citerede nulevende kemiker i verden. Hans navn er især knyttet til felterne NMR-spektroskopi, organometallisk kemi, molekylær selvorganisering, blød litografi, mikrosystemer og nanoteknologi. Efter sin kandidatgrad fra Harvard i 1960 opnåede George Whitesides ph.d.-graden ved California Institute of Technology (Caltech) i 1964. Derefter var han på MIT frem til 1982, hvor han blev professor ved Harvard. Whitesides er født i 1939, men har ingen planer om pensionering. Han leder fortsat en meget stor forskningsgruppe med en usædvanlig tværfaglig profil. Gruppens erklærede formål er ”fundamentalt at ændre forskningens paradigmer”. Interviewet med Dynamo fandt sted i forbindelse med George Whitesides’ H.C. Ørsted-forelæsning på DTU 26. maj 2016.

Forskningen skal løse samfundsmæssige behov. Derfor skal forskerne altid kunne svare på spørgsmålet ’who cares?’ lød det fra Whitesides under hans forelæsning på DTU.

”Jeg har opgivet at bidrage med noget inden for energiforskningen.

Det har simpelthen vist sig at være for svært!”

Et øjeblik sidder amerikaneren tavs med et beklagende udtryk. ”Jeg synes bestemt, at energi er et meget stort samfundsproblem.

Men det, som har fået mig til at opgive, er, at der i dag ikke er markedsmekanismer på plads, som gør det muligt for innovative løsninger at nyde fremme. Når du trækker strøm ud af stikkontakten,

39

gør det ingen forskel for dig, om den er produceret på traditionel vis eller ved hjælp af grøn, bæredygtig energi. Derfor vil folk ikke betale ekstra.”

Global opvarmning bekymrer ”Jeg hører til dem, der anerkender, at den globale opvarmning i det mindste delvist er forårsaget af menneskelige aktiviteter. Der vil komme et tidspunkt, hvor klimaforandringerne bliver så alvorlige, at økonomien nødvendigvis må komme i spil. Men spørgsmålet er, om det bliver for sent? Hvis vi gjorde den fossile energi dobbelt så dyr i morgen, ville det stadig vare 100 år, før effekten slog fuldt ud igennem som lavere CO2-indhold i atmosfæren.” ”Der er jo også teknologi, som kan trække CO2 ud af atmosfæren, men igen er det uklart, om det vil kunne gøres på en økonomisk bæredygtig måde.” ”Så længe de spørgsmål er uafklarede, er det svært at lykkes med selv nok så gode idéer til nye løsninger. På den måde er energiområdet vanskeligt at gå ind i som løsningsorienteret forsker. Selvom det grundlæggende problem er tydeligt, er det alligevel uklart, hvilket mål man skal stile efter.”

Derfor kastede Whitesides sig i stedet over de bløde robotter. ”Sundheds- og velfærdsteknologi er et noget mere taknemmeligt område. Der er en umiddelbar gevinst for samfundet, når borgere bliver hjulpet. Derfor vil man ikke være henvist alene til markedsmekanismerne, på samme måde som tilfældet er på energiområdet.”

40

FO RSKN I NGSBA SE RE T RÅ DGI V N I NG

NY SATELLIT SKAL OVERVÅGE ARKTIS DTU har indgået en aftale med Forsvaret om at udvikle, opsende og afprøve en satellit, der skal bruges til overvågningsopgaver i Arktis. Satellitten skal udvikles i samarbejde med virksomheden GomSpace, og den forventes at være klar til opsendelse sidst i 2017. Satellitten, der måler blot 30 x 20 x 10 cm, vil rumme radiomodtagere, der kan opfange positionssignaler fra skibe og fly. Dermed får Forsvaret for første gang sin helt egen satellit, der kan bidrage til overvågningen af Forsvarsministeriets ansvarsområde i Arktis. ”Vi glæder os naturligvis over, at vi for første gang skal samarbejde med Forsvaret og GomSpace om at bygge en dansk satellit, der skal løse nogle meget vigtige opgaver for myndigheder i Danmark og Grønland,” siger institutdirektør på DTU Space Kristian Pedersen og fortsætter: ”DTU har mange års erfaring med både Arktis og satellitter, og det kombineres på fremragende vis i dette projekt. Samtidig er det et forskningsprojekt, der vil være med til at styrke vores teknologiske forskning og vores viden om Arktis, hvor vi også arbejder med en række andre rum- og jordbaserede monitoreringssystemer til bl.a. klima- og miljøformål.”

K ristian Pe d e rse n, institutd ire ktø r, DTU Spac e, kp @sp ace .d tu .d k

NY H EDER

Svinesygdom kan koste dyrt Beregninger viser, at det kan koste i omegnen af 2,5 mia. kr., hvis f.eks. en lastbil fra udlandet medbringer en virus, der smitter danske svin med afrikansk svinepest.

En ny simuleringsmodel, som er udviklet på DTU Veterinærinstituttet, kan vise, hvordan og hvor hurtigt svinesygdommen afrikansk svinepest vil sprede sig, og hvad de økonomiske omkostninger vil være af et sygdomsudbrud. Modellen er et vigtigt led i det danske sygdomsberedskab.

Afrikansk svinepest er en smitsom virussygdom hos svin. Den har endnu aldrig været konstateret i Danmark, men den er ikke længere væk end de østeuropæiske lande, så det er vigtigt at have et godt beredskab, hvis uheldet er ude, og smitten f.eks. skulle komme med en svinetransport derfra.

Sygdommen spredes ikke kun gennem luften i en enkelt besætning, men også mellem besætninger over større afstande via personkontakt eller ved flytning af dyr. Data fra forsøg med spredning af sygdommen i små grupper af svin integreres derfor først i en model, der simulerer smitte inden for en besætning. Dernæst anvendes de i en større model, der simulerer spredning mellem flere besætninger.

På den måde kan man forudsige størrelse og varighed af et udbrud og de deraf følgende omkostninger. Modellen er baseret på resultater fra forsøg

med den virusstamme, der florerer i Østeuropa, og den opdateres løbende med nye data, efterhånden som flere eksperimentelle forsøg afsluttes og publiceres. ”De foreløbige simuleringer tyder på, at et udbrud af afrikansk svinepest i den danske svinepopulation vil have et begrænset omfang med tre smittede besætninger og en varighed på 28 dage.

Epidemiens varighed er beregnet som tiden, fra den første besætning diagnosticeres, til den sidste smittede er slået ned. Men der vil gå yderligere to til tre måneder, før Danmark igen kan opnå status som fri for ASF,” siger seniorrådgiver ved DTU Veterinærinstituttet Anette Boklund, som har stået i spidsen for den nye model.

Simuleringen viser således, at det samlede tab i form af udgifter til bekæmpelse og ikke mindst mistede eksportindtægter ved et udbrud af afrikansk svinepest vil blive ca. 2,5 mia. kr. n et t e Bo k l u n d , s en io rrå d g iver, A DTU Vet erin æ rin st it u t t et , a n eb o@ vet . d t u . d k

Tang og muslinger med potentiale DTU Aqua har udarbejdet en rapport, som viser, at en øget produktion af såkaldt blå biomasse – f.eks. tang og muslinger – har en positiv indvirkning på havets økosystem. Både tang og muslinger kan nemlig produceres uden tilsætning af foder og gødning. Muslinger kan f.eks. bruges til foder til svin og høns, og tang kan blive en ny ret på fremtidens spiseborde.

D ownload ra p p o rt en o m b l å b io ma s s e h er: l . d t u . d k / x m8 3

Vindtunnel i verdensklasse bliver opført i Roskilde Før sommerferien blev første spadestik taget til at bygge en helt unik national vindtunnel på DTU Risø Campus i Roskilde. Vindtunnellen, der ventes færdig i foråret 2017, skal bidrage til, at Danmark kan bibeholde og styrke sin førerposition inden for forskning i vindenergi.

Vindtunnellen bliver unik i verden både på grund af dens størrelse, og fordi den gør det muligt at kombinere målinger af aerodynamik og støj, og endelig på grund af dens høje strømningshastigheder.

Man vil f.eks. kunne udsætte en del af en møllevinge for vindstyrker på op til 105 m/sek. eller 378 km/t.

Det svarer til tre gange orkanstyrke. Vinden i tunnellen bliver skabt af en gigantisk blæser med en diameter på 4,7 meter. Testsektionen bliver desuden indkapslet i et lyddødt rum for at undgå refleksioner og for at absorbere støj, så man også kan bruge vindtunnellen til at teste, hvor meget støj der skabes

af en vindmøllevinge. Vindtunnellen er finansieret af staten, DTU og Region Sjælland. e en mo d el af v i n d t u n n e lle n , S o g l æ s mere he r : l. d t u . d k / m 2 b 6 en io rfo rs ker C h r i st i a n B a k , S DTU V in d en ergi , c h b a @ d t u . d k

M o rt en Ga rl y A n d ers en , To m N ervil , L in e Re e h , M a r i a n n e Va n g Ry d e

LE D-TEK N OLOGI

M I K ROB I OLO G I

DY N A M O

46

09

16

DTU

41

Ultraviolet lys kan blive fremtidens antibiotika Den del af sollyset, der ligger i det ultraviolette område, spiller en stor rolle for vores liv på Jorden.

Med nye LED-lyskilder og mere viden om strålernes virkning er vi på vej til at kunne udnytte uv-lyset til at påvirke menneskers sundhed.

Mariann e Ry d e S h u tte rsto ck, Kø b e nhavns Universitet

D

et har været kendt længe, at ultraviolet lys med en kort bølgelængde, de såkaldte uv-C-stråler, kan slå bakterier ihjel. Men nu har forskere fra DTU og KU vist, at de naturligt forekommende uv-B-stråler har en endnu bedre antibiotisk effekt, og det lover godt, vurderer DTU’s samarbejdspartnere fra Odontologisk Institut og Costerton Biofilm Center på Københavns Universitet.

Ultraviolet lys ligger i det ikkesynlige område med bølgelængder fra 400 til 100 nanometer. Uv-A-strålerne har den længste bølgelængde, og de trænger også længst ind i huden, hvor de er med til at gøre os brune – eller evt. solskoldede. Uv-B-strålerne kan med deres kortere bølgelængde gøre større skade. De stoppes til en vis grad af ozonlaget, men den del, der

når igennem til Jordens overflade, er til gengæld forudsætningen for, at vi kan danne det vigtige D-vitamin, der kædes sammen med stadig flere livsvigtige funktioner.

Uv-C-strålerne har den korteste bølgelængde og er derfor farligst. De kan skade cellernes DNA, og de bliver da også holdt tilbage af ozonlaget, så de ikke når Jorden. Men de kan genskabes ved hjælp af LED-lysdioder og bruges i dag til rensning af vand eller sterilisering af kirurgiske instrumenter.

Start med de værste Professor Paul Michael Petersen fra DTU Fotonik er optaget af, hvordan lyset kan bruges i en sundhedsmæssig sammenhæng, og han påbegyndte for to år siden et systematisk forsøg, som skulle klarlægge, præcis hvilke bølgelængder der mest effektivt er i stand til at bekæmpe bakterier.

42

LE D- TE KNOLOG I

M I K RO B I O LO G I

I snart 100 år har man brugt antibiotika, men efterhånden overlever stadig flere bakterier disse behandlinger, enten på grund af resistens, eller fordi de slutter sig sammen i såkaldte biofilm og organiserer sig, så de bliver i stand til at modstå ydre påvirkninger.

Biofilm før

Biofilm bestående af mange forskellige bakterier kan også dannes i en betændt tandrod, som tandlægen normalt behandler med en mekanisk rensning og forskellige skyllevæsker.

Det er en omfattende proces, der ikke altid lykkes; i nogle tilfælde bliver bak-

Biofilm efter

Biofilm belyst med uv-B-lys

Biofilm belyst med uv-C-lys

Biofilm uden lysbehandling

I laboratoriet har forskerne fået bakterien P. aeruginosa til at gro som en biofilm på et filterpapir.

Bakteriestammen er lavet, så den udtrykker det fluorescerende protein GFP (grønt), og farvet med propidium iodide (rødt), der kun farver døde celler. Derefter er biofilmene behandlet med enten uv-B- eller uv-C-lys. Øverst til højre kan man se en klar rødfarvning af biofilmen, hvilket altså betyder, at uv-B-behandlingen har dræbt en større del af bakterierne i biofilmen end ved uv-C-behandlingen (i midten til højre), hvor man kun kan ane den røde farve.

terierne ikke elimineret fuldstændigt, og andre gange blomstrer infektionen op igen efter en periode. Særligt bakterien Enterococcus faecalis har vist sig at være svær at behandle; den findes som oftest i rodkanalen, når rodbehandlingen er mislykkedes. Tandlæger er derfor meget interesserede i alternative behandlinger, som er mere virkningsfulde.

En anden sejlivet bakterie, som ofte findes på hospitalerne, er Pseudomonas aeruginosa, så det blev den og E. faecalis, Paul Michael Petersen valgte at starte med i dialog med forskere fra Københavns Universitet.

Forskere fra DTU, Costerton Biofilm Center og Tandlægeskolen (dvs.

Odontologisk Institut ved Københavns Universitet), satte således en række forsøg op, hvor biofilm med enten P. aeruginosa eller E. faecalis i forskellige udviklingsstadier blev belyst med dioder i forskellige bølgelængder.

Overraskende resultat ”I udgangspunktet ville vi teste forskellige uv-C-dioder, fordi disse stråler er kendt for at være bedst til at desinficere. Men vi inkluderede også nogle uv-B-dioder, som vi bruger til at øge D-vitaminniveauet hos høns og grise. Og så viste det sig, at uv-B faktisk virkede bedst. Det kom helt bag på os, og vi måtte gentage forsøgene mange gange for at være sikre på, at det stemte,” fortæller ph.d.-studerende Aikaterini Argyraki, DTU Fotonik.

Forskerne var ikke i tvivl om, at de overraskende resultater skulle forfølges, for selvom uv-B-lys også kan have en skadelig virkning på cellerne, er det stadig ikke så farligt som uv-C, der vil ødelægge cellernes DNA, hvis de kommer i kontakt med det.

De første forsøg blev lavet på biofilm, som forskerne skabte i laboratoriet, men nu søger de om tilladelse til at gå videre med biofilm fra patienter, der skal have lavet en rodbehandling. ”Vi forestiller os at sætte en kegle ned i roden, som i løbet af tre uger indlejres i den bakterielle biofilm.

Patienten vil ikke mærke noget, men når vi tager keglen ud, vil vi have en naturlig biofilm af forskellige bakterier at arbejde med, i modsætning til den monokultur, vi har kunnet skabe i

DY N A M O

46

09

16

DTU

43

Tænderne er et af de steder, hvor der typisk dannes biofilm, som kan bekæmpes med uv-B-lys. Andre steder kan være ved urinvejskate­ tre eller hjerte- og hofteimplantater.

”Når vi blander DTU’s teknologiske kompetencer med KU’s kliniske og mikrobiologiske ekspertise, kan vi nå rigtig langt. ” M E RE TE M A R K VA RT, A D J U N K T, O D O NTO LO G I S K I N S T I T U T, KØ B E N H AV N S U N I VE R S I TE T

laboratoriet,” siger Merete Markvart, der er adjunkt på Odontologisk Institut, Københavns Universitet.

Hvis det viser sig, at uv-B-strålerne virker lige så godt på de biofilm, som kommer fra patienternes rodkanaler, vil næste skridt være at finde metoder

til at guide uv-lyset fra dioderne ind i rodkanalen, måske ved hjælp af optiske fibre. ”Det vil sandsynligvis stadig være en supplerende behandling, der ikke kan stå alene, og der går i hvert fald et par år, før vi når så langt. Men vi ser

store muligheder i uv-B-lyset, ikke kun i forbindelse med tandrødder, men også ved kroniske sår, ved infektioner i lungevæv eller omkring implantater.

Alt sammen steder, hvor man ofte støder ind i problemer med resistente bakterier,” siger Merete Markvart og glæder sig over det frugtbare tværfaglige samarbejde, som ligger bag de spændende resultater. ”Når vi blander DTU’s teknologiske kompetencer med KU’s kliniske og mikrobiologiske ekspertise, kan vi nå rigtig langt.” a u l M ic h a el Pet e r se n , p rofe sso r, DT U P Foto n ik , p a p e @ foto n i k . d t u . d k ikat erin i A rg y ra k i , p h . d . -st u d e re n d e , DT U A Foto n ik , a ika r @ foto n i k . d t u . d k

ZO O M DY N A M O 4 6 0 9

16

Mikrorobot Forskere på DTU Fotonik har udviklet en laserstyret mikro­ robot, der kan optage, flytte og aflevere væsker og partikler.

F.eks. kan robotterne overvåge processer i levende celler med stor præcision.

Læs hele historien side 33.