Material formar civilisationer

I stället för att leta efter helt nya material fokuserar materialforskare idag på att utveckla befintliga material genom revolutionerande nya processer. Resultaten av deras arbete kommer utan tvekan att förändra världen omkring oss - och kanske bidra till att rädda den.

Utvecklingen av nya material är kanske en av mänsklighetens viktigaste strävanden, som definierar historiska perioder och förändrar hur världen omkring oss ser ut. Sten-, järn- och bronsåldern har trots allt fått sina namn på grund av de material som användes mest under dessa tider.

När det gäller att tänka på morgondagens material idag ligger det största fokuset på hållbarhet. Och materialvetenskap är nyckeln till att möjliggöra säkra, rena och effektiva energisystem och till att göra en hel rad industrier, från transport till tillverkning, hållbara.

Annika Borgenstam är professor vid institutionen för materialvetenskap och materialteknik på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Hon använder Eiffeltornet som ett exempel på hur materialvetenskap kan leda till en mer hållbar värld.

"Om vi använde de avancerade höghållfasta stål som vi har idag skulle vi kunna bygga fyra Eiffeltorn med samma mängd material som användes från början", säger hon. "Att bygga lättare konstruktioner innebär att färre materialtransporter behövs och att mindre material behöver produceras. Båda faktorerna leder till mindre utsläpp av CO₂. Starkare stål innebär också att flygplan, bilar och liknande väger mindre, vilket i sin tur leder till mindre utsläpp av CO₂."

Radikal omstrukturering

Materialforskare söker efter material som är lättare och som kan motstå högre temperaturer och mer korrosiva atmosfärer.

Men i stället för att försöka utveckla helt nya material handlar den stora satsningen inom branschen i dag om (ofta radikal) omstrukturering av befintliga material med hjälp av revolutionerande nya processer som additiv tillverkning, även kallad 3D-printing, och beräkningsmodellering.

"Additiv tillverkning kommer att öppna upp för helt nya sätt att använda samma typer av material som vi har idag, genom att bygga in de egenskaper som vi behöver", säger Borgenstam.

Additive manufacturing has opened up completely new ways of using the same types of materials that we have today, by building in certain properties and allowing products to be topologically optimized.

En av anledningarna till att fokus inom materialvetenskapen nu ligger på nya processer och utveckling av befintliga material är att det kan ta många år att utveckla helt nya material. Och samtidigt som det finns en strävan efter att ersätta vissa knappa material som kobolt, som används i skärverktyg och elbilsbatterier, fokuserar materialforskarna också alltmer på att återvinna material.

Svårt att konkurrera med stål

Borgenstam nämner stål som ett exempel på ett befintligt material som det inte finns något behov av att hitta en ersättare till. "Stål är helt återvinningsbart, billigt och rikligt förekommande, och vi kan tillverka det med ett stort spektrum av olika egenskaper", säger hon. "Det är svårt att konkurrera med det. Det finns fortfarande utrymme för förbättringar när det gäller stål. Vi är långt ifrån att nå dess teoretiska styrka."

Ett av de kanske största problemen för utvecklingen av nya material är bristen på unga människor med rätt kompetens för att bedriva den relevanta forskningen. "Det är inte så lätt att rekrytera unga människor till materialområdet", säger Borgenstam. "Det är inte lika välkänt som fysik och kemi, och aspekter av det, som stålindustrin, framställs ibland negativt i media."

Men, tillägger hon, det här är ett område där unga forskare och ingenjörer kan ha en enorm inverkan på världen omkring sig. "Jag skulle råda unga människor att välja materialvetenskap som ett sätt att rädda världen, eftersom man verkligen kan påverka hållbarheten och rädda miljön. Det finns så många positiva effekter av att använda bättre material, och det måste vi visa dem."