i g r e n E
fra Ke Af D
or the
mi
Bomh oldt R avnsb ĂŚ
k
Hele rejsen fra kemi til energi For 12 år siden begyndte jeg på kemistudiet på universitetet. Samme efterår lavede jeg mit første forskningsprojekt - jeg har været opslugt af forskning lige siden. I januar 2015 startede jeg som adjunkt og leder af en ny forskningsgruppe i uorganisk materialekemi på FKF, hvor vi arbejder med at lave nye materialer til forbedrede genopladelige batterier. Vejen hertil har været fyldt med spændende kemi, nye materialer, fantastiske mennesker og ikke mindst masser af energi.
Trin 1: At blive kemiker Det var kemien, der kaldte efter gymnasiet. En voksende interesse for faget kombineret med fantastiske kemilærere både i folkeskolen og gymnasiet gjorde valget omkring uddannelse let for mig. Og jeg startede på universitetet meget videbegærlig og klar på nye udfordringer. Dem bød kemistudiet på masser af. Det tog lidt tid at lære at håndtere de større læsemængder og hastigheden, hvormed vi blev fodret med ny viden. Men med dette kom også adgangen til et nyt sprog samt en ny videnskabelig og faglig måde at anskue verden på. Det var i den grad med til at opbygge ikke kun min, men også mine studiekammeraters identitet som kemikere. En identitet som jeg stadig bærer med mig i dag. Jeg må indrømme, at jeg startede på universitetet (måske som mange andre) med en vis forudindtaget ide om, at kemi mest er noget, der foregår i laboratoriet med farvede væsker, røg og kolber. Det er kemi selvfølgelig også, men det er også en hel masse mere! Mine forestillinger om kemi som fag betød også, at jeg havde en ide om, at jeg skulle være kemiker for 20
Hjerneblod z 5/2016
at lave lægemidler og masser af organisk syntese. Men når jeg ser tilbage nu, kan jeg godt se, at det altid har været materialekemien, der har interesseret mig mest. Jeg kan tydeligt huske, at jeg igennem folkeskolen og gymnasiet var meget fascineret af at forstå, hvad ting i mine omgivelser var lavet af og senere på universitetet forstå materialers egenskaber ud fra en øget viden om deres struktur og kemi.
Trin 2: At blive forsker På første år lavede vi som del af et fag et lille forskningsprojekt sammen med en af de etablerede forskere på universitetet. Mit projekt gik ud på at fremstille nogle mineraler, der kunne indkapsle ammoniak. Den større tanke bag projektet var, at mineralet skulle blandes i grisefoder og optage ammoniakken i grisens afføring, som er med til at give gylle den lidet flatterende duft. Det lykkedes aldrig (som bekendt ”dufter” gylle stadig), men jeg blev meget grebet af ikke kun kemien i projektet, men særligt forskningen som tilgang til kemien. Det var fascinerende at opdage det nye og uudforskede og ikke nødvendigvis vide, hvor kemien ville tage mig hen.
På tredje studieår skulle vi vælge emne for vores bachelorprojekt. På dette tidspunkt læste jeg om nye alternative energiformer, heriblandt det såkaldte brint-samfund - et spændende emne - måske ikke mindst fordi energi og brændstof er noget, vi alle kan relatere til. Ideen bag brint-samfundet er, at vand splittes til brint og ilt ved hjælp af strøm (elektrolyse) og når der igen er brug for elektricitet, føres brint og ilt ind i en brændselscelle, som igen danner strøm og vand. Hvis elektriciteten til elektrolysen kommer fra en vedvarende energikilde som f.eks. en vindmølle eller solcelle, er denne teknologi i princippet komplet forureningsfri. Et af problemerne med dette energisystem er dog, at brint er en gas ved almindeligt tryk (1 bar) og stuetemperatur. Derfor fylder brinten alt for meget at opbevare. Det er f.eks. et problem, hvis brint skal bruges i en bil i stedet for benzin, da bilen så enten skal have en kæmpe tank eller ikke ville kunne køre ret langt. Brinten må derfor komprimeres. Mit bachelorprojekt gik ud på at fremstille nogle nye metalhydridmaterialer, der kan opbevare store mængder brint på fast form. Det lykkedes at få lavet nogle nye spændende materialer, og mit arbejde med det kom
til at strække sig langt udover min bacheloropgave. Jeg endte nemlig med at bruge en stor del af mit fjerde studieår på at optimere syntesen og karakterisere materialerne. Det var en stor udfordring, ikke mindst fordi disse metal hydrider spontant brød i brand ved den mindste kontakt med luft. Ikke desto mindre besluttede jeg mig for at søge optagelse på det fire-årige PhD studie med netop brintopbevaringsmaterialer som forskningsemne. I sommeren 2007 blev jeg optaget. Her fulgte så fire år med masser af hårdt arbejde, men også store gevinster. Jeg udviklede en ny syntesemetode, der betød, at nye metal hydrider med potentiale inden for brintopbevaring mere eller mindre væltede frem. I starten havde vi svært ved at forstå den strukturelle (krystallinske) opbygning af materialerne på det atomare niveau. Heldigvis kom jeg i kontakt med nogle eksperter fra Frankrig og Schweiz, som var villige til at dele ud af deres viden og lære mig alle deres tricks. Det kostede en del nattesøvn, men det var utroligt godt givet ud. At være i stand til fuldstændigt at forstå hvordan atomerne nøjagtigt er placeret i materialet og kunne lave en tegning af det er noget af det mest tilfredsstillende, jeg kan tænke mig. ¾
I laboratoriet på første studieår for at filtrere en prøve til vores forskningsprojekt.
På Svalbard (i -18 °C) til konference under min PhD sammen med andre studerende fra forskergruppen. Det betød også meget, at jeg under mine PhD år var del af et rigtig godt team med andre PhD-studerende. Vi fik fagligt meget ud af hinanden samtidig med, at vi havde det rigtig sjovt. Det var et meget motiverende forskningsmiljø. Vi havde også mange rigtig gode rejser sammen både for at lave eksperimenter ved forskellige forskningsfaciliteter, men også til internationale konferencer. Jeg har i det hele taget fået rigtig meget ud af at deltage ved internationale konferencer. Ikke alene fik jeg formidlet mine egne forskningsresultater (og set en masse spændende steder over hele verden), men vigtigst af alt har det hjulpet mig til at opbygge et stort netværk med forskere og eksperter fra hele verden – mange af dem, jeg samarbejder med i dag, er forskere, jeg har mødt på konferencer. Succesen med at lave nye materialer under min PhD og forstå dem i stor detalje medførte, 22
Hjerneblod z 5/2016
at jeg i min nysgerrighed og forskningsrus fik fremstillet så mange nye brintopbevaringsmaterialer, at vi kunne begynde at forstå trends i deres struktur og egenskaber. Noget som slet ikke havde været muligt før. Forskningsglæden gav også en motivation til at dygtiggøre mig ikke kun indenfor kemien, men også i de andre aspekter af forskning, så som at skrive forskningsansøgninger, holde foredrag og ikke mindst skrive artikler. Derfor kom der ret mange forskningsartikler ud af mit PhD projekt, og jeg holdt foredrag om resultaterne over hele verden. På baggrund af dette modtog jeg flere både nationale og internationale priser for mit arbejde. Det var egentlig aldrig min ambition at opnå noget i den stil, men min motivation og nysgerrighed, der drev mig. Og det er selvfølgelig dejligt at blive anerkendt for sit arbejde.
Trin 3: At blive selvstændig Succesen i mit PhD projekt betød, at mine muligheder var vokset og det samme må jeg jo nok indrømme også var sket for ambitionerne. Jeg ville til udlandet og forske - og helst ved et af de bedste universiteter i verden. Samtidig syntes jeg også, det var tid til rent forskningsmæssigt at skifte emne. Jeg vidste, at jeg gerne ville blive ved at arbejde med materialer til energianvendelser. Forskning indenfor genopladelige batterier var (og er) et meget aktivt og spændende felt med masser af interessant kemi. Derfor blev batterierne mit valg. Jeg ville også gerne blive ved med at benytte nogle af de teknikker, jeg havde lært at mestre under min PhD, da jeg ikke følte, jeg var færdig med at udforske de muligheder, de bød på. Min mand var også lige blevet færdig med sin PhD i organisk kemi og han ville gerne med til udlandet for at forske. Så i forhold til vores valg af universitet, var der mange ting, der skulle gå op i en højere enhed: Det skulle være et førende universitet, der skulle være forskning i batterier samt i noget, der faldt inden for min mands interesser og vi
var enige om, at det skulle være i et engelsktalende land. Så vi brugte en del tid på at kigge på universiteter, forskningsgrupper og læse videnskabelige artikler. Og da valget skulle træffes, havde vi begge Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Boston USA på toppen af vores ønskelister. Og heldigvis ville de gerne modtage os begge to som post docs. Post doc betyder ”efter doktor-grad” (i udlandet kaldes en PhD en doktorgrad) og er jobbetegnelsen for en forsker, der er på trinnet efter at have fået sin PhD-grad, men endnu ikke er forskningsleder med sin egen gruppe. Hvor man under sit PhD studie oplæres til at blive forsker, er formålet med en post doc periode at blive selvstændig i sit forskningsarbejde og blive klar til at påtage sig rollen som forskningsleder. Men der skal jo som bekendt penge til. Derfor søgte jeg om at få min løn finansieret af Carlsbergfondet gennem et post doc projekt – og det fik jeg. Min mand fik et lignende stipendium gennem Det Frie Forskningsråd. Så i 2012 rejste vi til USA udstyret med hver en 2-årig kontrakt hos MIT. ¾
Der eksperimenteres ved synkrotronen i Grenoble i Frankrig. Den sorte runde plade er røntgendetektoren. Ved min hånd er prøven, som jeg er ved at montere, og foran den kommer røntgenstrålen genereret af synkrotronen ud.
23
Min mand og mig ved hovedindgangen til Kemisk Institut pü Aarhus Universitet under vores første studieür -
24
Hjerneblod z 5/2016
og ved hovedindgangen til Massachusetts Institute of Technology (MIT) otte 책r senere
25
På MIT var jeg en del af en forskningsgruppe ledet af Professor Yet-Ming Chiang, som er en af de store ”kanoner” indenfor batteriforskning. Vi var ca. 20 forskere i gruppen, som alle arbejdede med batterier, dog med meget forskellige aspekter af teknologien. Jeg fokuserede særligt på katodematerialerne (se side 27). Jeg fandt hurtigt ud af, at min strukturelle viden og erfaring med at arbejde med at karakterisere materialer på denne måde kunne være til stor gavn i batteriforskningen. Så jeg udviklede (sammen med et forskerteam fra Chicago) en ny metode til at ”se” ændringerne i batterimaterialernes atomare struktur, mens batterier bliver af- og opladet (se nedenfor). Med denne metode kunne vi pludselig forstå batterimaterialernes egenskaber på et helt nyt niveau og komme med nye forslag til, hvordan sådanne materialer skal designes for at få mere effektive batterier. Det var en stor tilfredsstillelse at bruge den viden, jeg havde tilegnet mig under min PhD på noget helt nyt og at kunne bidrage med ny viden til et andet forskningsfelt. Jeg er meget stolt af de resultater, vi opnåede her. Arbejdet på MIT gav også et nyt perspektiv på både kemi og forskning. De fleste af mine forskerkolleger havde en baggrund indenfor materialevidenskab - ikke kemi. Derfor an-
skuede de mange både praktiske og teoretiske spørgsmål fra en anden vinkel end den, jeg var oplært under. Det rystede min grundvold i starten, at de samme spørgsmål kunne tackles så forskelligt, men da jeg kom mig over chokket og tillod det at udvide min horisont, gav det en ny bredde til min forskning og en masse nye ideer. Samtidig lærte jeg rigtig meget om tilgangen til de spørgsmål og udfordringer, vi stiller os selv som forskere – noget som jeg i den grad har taget med mig videre. I det hele taget var tiden på MIT fantastisk spændende og inspirerende. MIT er fyldt med kloge og kreative mennesker og man kan faktisk godt blive lidt star-struck, når man bevæger sig rundt på gangene og passerer nobelprismodtagere eller folk bag banebrydende opfindelser. Men jeg ville lyve, hvis jeg ikke også fortæller, at det var to hårde år. Der skal ikke herske nogen tvivl om at på MIT arbejder man meget og man skal bevise, at man hører til. Det er et hårdt miljø. Fantastisk for en tid, men ikke for livet. Så efter at have suget så meget viden, inspiration og forskningsmæssig kreativitet ud af MIT som muligt vendte vi efter to år i det amerikanske hjem til lille Danmark igen.
Genopladelige batterier Et genopladeligt batteri er som sådan en ret enkel konstruktion. Inde i den ydre beholder (som er den, vi normalt ser) er der to elektroder – en katode og anode, som kan optage, opbevare og frigive de aktive ioner (f.eks. Li-ioner i et Li-ion batteri). De to elektroder er fysisk adskilt fra hinanden af en separator, som er en polymermembran, der tillader, at ioner flyttes fra den ene elektrode til den anden uden at de to elektroder kommer i kontakt. Mellem elektroderne er også elektrolyt som i et typisk Li-ion batteri er flydende og består af saltet LiPF6 opløst i et eller flere organiske solventer. Elektrolytten har den egenskab, at den kan lede ioner (dvs. flytte ioner mellem elektroderne), mens den ikke leder elektroner.
26
Hjerneblod z 5/2016
I den opladte tilstand befinder Li-ionerne sig i anoden. Når batteriet aflades bevæger Liionerne sig ud ad anoden direkte gennem batteriet (vha. elektrolytten) og ind i katoden. Fordi elektronerne ikke kan transporteres af elektrolytten tvinges de gennem det ydre kredsløb, og det er netop det, der giver os strøm. Der sker i disse år en udvikling, hvor batterier benyttes i større og større anvendelser som f.eks. el-biler eller til opbevaring af strøm fra vindmøller. Det sætter nye krav til størrelsen, levetiden og prisen på batterierne og dermed også til de materialer, som batterierne er lavet af. Det er her, vi sætter ind!
Elektrodematerialer I min forskningsgruppe interesserer vi os primært for batteriernes elektrodematerialer – særligt katoden. Katoderne er typisk faste krystallinske oxider og fosfater af overgangsmetaller f.eks. LiCoO2, LiFePO4 og LiMn2O4, som er de materialer, der anvendes i de fleste kommercielle batterier i dag. At materialerne er krystallinske betyder, at atomerne i materialet er arrangeret i et systematisk mønster, så materialet har langtrækkende orden. Katodematerialerne har typisk strukturer, hvor den atomare opbygning danner enten kanaler (i en eller tre dimensioner) eller lag, som Li-ionerne kan trænge ind og ud af når batteriet af- og oplades. Det vi arbejder på i forhold til Li-ion batterier er at fremstille nye katodematerialer, der vha. ændret kemisk sammensætning opnår højere kapacitet eller meget lavere pris. Samtidig arbejder vi også på at udvikle katodematerialer til nogle helt nye typer af batterier, nemlig magnesium og aluminium ion batterier. Den største fordel ved at udskifte Li-ionen med Mg- eller Al-ioner er, at disse grundstoffer forefindes i langt større grad i naturen og derfor er langt billigere. Derudover har Mg2+ og Al3+ ionerne den fordel, at fordi de har højere ladning vil hhv. to og tre elektroner flyttes gennem det ydre kredsløb hver gang een ion transporteres gennem batteriet. På den måde genereres hhv. to eller tre gange mere strøm, end når der benyttes Li+ ioner. Grunden til at vi ikke allerede benytter denne teknologi i dag er blandt andet, at det er langt sværere at få disse ioner med højere ladning til at flytte sig effektivt ind og ud af elektroderne, ligesom Li+ kan. Derfor arbejder vi på, at fremstille nogle helt nye typer af katodematerialer med anderledes atomar struktur end dem, vi bruger i Li-ion batterier. ¾
27
At ”se” atomerne i elektroderne
For at studere den atomare opbygning af de krystallinske elektrodematerialer bruger vi røntgenstråler. Når røntgenstråler rammer atomer, vil de reflekteres af elektronerne og hvis atomerne er arrangeret i et gitter med langtrækkende orden, vil røntgenstrålerne kun reflektres i særlige vinkler, der afhænger af afstandene mellem atomerne. Ved at måle reflektionsvinklerne og intensiteten af de reflekterede stråler kan vi regne os frem til præcis hvilke atomer, materialet består af og hvordan de er placeret i forhold til hinanden. Denne teknik kaldes for røntgendiffraktion. Ved hjælp af specialdesignede testbatterier kan vi endda bruge denne teknik til at følge, hvordan den atomare struktur af materialerne ændrer sig, mens batteriet af- og oplades. Det kræver dog meget intens røntgenstråling, som vi kun kan få ved at benytte en synkrotron.
Synkrotronen
En synkrotron er en partikelaccellerator, hvori elektroner accellereres til en hastighed nær ved lysets. Elektronerne tvinges ind i en cirkulær bane ved at afbøje dem fra deres lineære bane vha. magnetiske og elektriske felter. Når en ladet partikel, som en elektron, skifter retning, vil der udsendes elektromagnetisk stråling, herunder røntgenstråling. Denne stråling har både en meget høj intensitet og meget høj energi, og man kan derfor måle røntgendiffraktionsdata af høj kvalitet meget hurtigt. Det er derfor muligt at lave eksperimenter, der ikke kan lade sig gøre i et almindeligt laboratorium. Synkrotroner er kæmpe apparater. Dem vi bruger i vores forskning er mellem 500 og 2300 m i omkreds. Derfor er disse faciliteter internationale og bliver brugt af forskere fra hele verden. I Europa er der 4-5 synkrotroner, der kan bruges i vores forskning. Men der er en ny synkrotron, MAXIV under opførelse i Lund, Sverige, hvor der kommer en dansk målestation. Det ser vi frem til.
Synkrotronen ESRF i Grenoble, Frankrig hvor jeg tilbragte tre måneder under mit PhD studie
28
Hjerneblod z 5/2016
Trin 4: At blive forskningsleder
Faktisk startede den mentale hjemrejse allerede et helt år tidligere. Drømmen var at starte min egen forskningsgruppe, når jeg vendte hjem til Danmark, men her skulle der endnu engang penge til, denne gang i noget større omfang. Derfor søgte jeg om en bevilling fra Villum Fonden til at starte et nyt batterilaboratorium, hvor vi i første omgang skulle kigge på nogle helt nye typer af batterier nemlig Mg- og Al-ion batterier. Godt tre måneder før vi rejste hjem, fik jeg besked om, at jeg var en af de heldige, der var blevet bevilget et Young Investigator Grant. Så nu var der i den grad noget at tage fat på. Siden da er der sket meget. Jeg har fået bygget mit laboratorium op og forskningen er i fuld gang. Jeg har fået endnu en stor projektbevilling (En Sapere Aude Forskningslederbevilling fra Det Frie Forskningsråd), som fokuserer på effektive og billige materialer til Li-ion batterier, og min gruppe består nu
af to PhD studerende og to post docs foruden projekt-, bachelor- og kandidatstuderende. Det er virkelig fantastisk, at disse bevillinger har givet mig muligheden for at samle et hold af dygtige unge forskere, som er i gang med en masse spændende batteriforskning. Jeg er utrolig stolt af, at mine bedrifter har gjort det muligt for andre at forske, dygtiggøre sig og lave nye spændende materialer. Bevillingerne har også givet mig mulighed for at forske indenfor mine egne rammer i projekter, som jeg selv har defineret. Og her synes jeg til stadighed, at energiforskning er et yderst tilfredsstillende emne at arbejde med. Udover blot at indeholde fascinerende kemi (og fysik for den sags skyld), så er det også et emne af uhyre stor vigtighed. Tilgangen til rigelige mængder energi er fundamentet i vores moderne samfund og udfordringerne med at opretholde dette bliver kun større i fremtiden. Det er fascinerende at vide, at vi er med til at lægge brikkerne i det store verdensomspændende energi-puslespil. ¾
Ved ceremonien for L’Oreal For Women in Science Award 2015 som jeg fik overrakt af H.K.H. Prinsesse Marie og Administrerende Direktør for L’Oreal Danmark Sanne Lønskov
29
Post doc Daniel Sørensen og PhD studerende Christian Henriksen i gang med forskningen i mit laboratorium på FKF. Min begejstring for forskning og kemi er kun vokset, siden jeg som førsteårs kemistuderende tog de første spæde forskerskridt ud i det ukendte – og det er netop fascinationen af det ukendte og nye, der begejstrer mig. Jeg elsker opdagelsesrejsen, hver gang vi begiver os ud i noget nyt. I forskning ved vi aldrig helt, hvad dagen bringer. Selvom vi altid vha. vores kemiske viden prøver at forudsige resultaterne
af vores eksperimenter, så sker det alligevel ofte, at vi støder på noget uforudset. Derfor bliver det aldrig kedeligt. Og der er ikke ret meget, der overgår at stå med et nyt materiale i hånden og vide, at det her, det har aldrig eksisteret, før jeg lavede det. Det er en følelse af fundamentalt at udvide den verden, vi lever i
Dorthe Bomholdt Ravnsbæk Født 31. juli 1983 i Fredericia Student fra Fredericia Gymnasium i 2002 Begyndte på kemistudiet på Aarhus Universitet i 2003 Bachelor i kemi i 2006 Fik PhD-grad i nanoteknologi i 2011 Post doc ved MIT i Boston 2012-2014 Adjunkt ved FKF, SDU siden 1. januar 2015
30
Hjerneblod z 5/2016