Etikettarkiv: Chalmers

Tvärvetenskap med mycket goda resultat

Magnus Röding och Pierre Carmona. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Magnus Röding och Pierre Carmona. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

I ett nära samarbete mellan RISE, Chalmers och AstraZeneca bygger doktoranden Pierre Carmona ny kunskap om hur ett läkemedel kan drageras för optimal frisättning av läkemedlet i kroppen, något som är till stor nytta för patienten.

De flesta läkemedel intas via munnen, tas upp i tarmen och går ut i blodet. Men då tabletter tas vid vissa intervall kan det bli olika koncentration av läkemedlet i blodet under ett dygn vilket ger en ojämn effekt av läkemedlet, något som kan vara skadligt om det blir för höga koncentrationer.
– Genom att dragera läkemedlet med en film med egenskaper som ger en kontrollerad frisättning av läkemedlet kan man hantera det problemet. Dock har man hittills inte förstått alla mekanismer bakom bildandet av sådana filmer och deras struktur, vilket är vad mitt forskningsprojekt fokuserar på, förklarar Pierre Carmona, doktorand vid RISE Jordbruk och Livsmedel samt institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola.

Kombinerad expertis
Projektet, som finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, är tvärvetenskapligt och kombinerar expertkunskaper hos de deltagande parterna RISE, Chalmers och AstraZeneca.
– Frågeställningen som forskningen adresserar är så bred att den inte går att lösa med bara en typ av expertis utan kräver nya angreppssätt, men med våra gemensamma kompetenser kan vi nå hela vägen fram, förklarar Niklas Lorén, huvudhandledare och senior forskare vid RISE Jordbruk och Livsmedel och adjungerad professor vid institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola.
Målen med projektet är flera: dels att skapa nytta för patienten genom en kontrollerad och jämn frisättning av läkemedlet i kroppen, dels en mer generell kunskapsuppbyggnad som kan komma till nytta även i andra sammanhang.
– Vi har länge arbetat med dragering av läkemedel för en jämnare frisättning och förstår stora delar av mekanismerna, men saknar viktiga insikter på mikronivå vilket detta projekt ger oss bättre kunskaper om, konstaterar Christian von Corswant, senior forskare på AstraZeneca.

Porbildning styrande för resultatet
Drageringen som Pierre Carmona studerar består av två polymerer varav den ena är vattenlöslig men inte den andra. Genom fasseparation skapas ett poröst material ur vilket läkemedlet kan frisättas i olika takt beroende på porernas struktur.
– I första läget blandas de två polymererna och etanol och bildar en homogen lösning. När etanol avdunstar så kommer de två polymererna att separera i två faser. När tabletten kommer ner i magen och utsätts för vatten börjar den vattenlösliga polymeren att läcka ut och ett poröst material bildas, förklarar han.
Han fortsätter med att förklara hur takten på frisättningen styrs av de bildade porernas struktur. Är de stora och raka går frisättningen snabbare, är de tunna och krokiga går det långsammare.
– Det vi hoppas lära oss från projektet är hur porbildningen sker på mikronivå och hur den kan styras för att kunna optimera frisättningen av läkemedel bättre framöver. Det handlar både om att förstå hur utformningen av porerna sker och hur olika strukturer på porerna påverkar frisättningen av läkemedel, förklarar Christian von Corswant.

Skalas upp till industrinivå
En viktig del av projektet är att kunna skala upp de processer man tar fram i labbet, som styr porbildningen, till industrinivå.
– Det är något jag verkligen gillar med det här projektet, att det är forskning på en mycket grundläggande nivå som samtidigt är tillämpbar. Jag kan se hur mina resultat kan komma till praktisk nytta inom läkemedelsindustrin samtidigt som jag bidrar till en ökad generell förståelse för de här processerna, konstaterar Pierre Carmona.

Ett unikt projekt
En bidragande orsak till att de kan bedriva den här typen av forskning är den ledande expertis inom avancerad mikroskopi, bildanalys och mjuka materials funktionalitet som finns på Chalmers och RISE, både i kunnande och i avancerad utrustning. I kombination med expertisen på AstraZeneca gör det projektet möjligt.
– Projektet är spännande genom att det kopplar samman kärnkompetenser inom avancerad metodutveckling med materialkompetens hos de ingående parterna. Sammantaget ger det möjligheter till banbrytande forskning som också är tillämpbar inom industrin, en typ av projekt som definitivt inte är vanligt förekommande, avslutar Eva Olsson, professor vid institutionen för fysik, Chalmers tekniska högskola.

Niklas Lorén, Eva Olsson, Pierre Carmona, Aila Särkkä och Christian von Corswant. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Niklas Lorén, Eva Olsson, Pierre Carmona, Aila Särkkä och Christian von Corswant. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto
RISE / Astrazeneca / Chalmers – polymerfilm för läkemedel

Institutsdoktorandprojektet ”Strukturering av polymerfilmer för kontrollerad frisättning” drivs mellan 2018-10-10 och 2022-12-31. Handledargruppen består utöver Niklas Lorén, Eva Olsson och Christian von Corswant, som nämns ovan, av:
• Magnus Röding, bihandledare, RISE Jordbruk och Livsmedel, adjungerad docent vid institutionen för matematiska vetenskaper, Chalmers och Göteborgs universitet
• Aila Särkkä, bihandledare, professor vid institutionen för matematiska vetenskaper, Chalmers och Göteborgs universitet.

chalmers.se

Skräddarsyr programmeringsspråk för Sakernas internet

Robert Krook, doktorand och Koen Claessen, professor vid Institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Robert Krook, doktorand och Koen Claessen, professor vid Institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Utvecklingen på programmeringssidan börjar komma i fatt Internet of Things. Förr fick programmerarna försöka pussla ihop nätverken med de program som stod till buds. Nu arbetar forskare på Chalmers med att utveckla ett programmeringsspråk som är skräddarsytt för ändamålet.

Tv, dammsugare, kylskåp, babymonitor och hemlarm är bara några exempel på saker i hemmen som kan kopplas upp mot internet. Fördelarna är många, uppkopplade apparater kan både effektivisera och skapa nya möjligheter att förenkla människors vardag. Problemet är att de även skapar möjligheter att hacka nätverken – och det är här som Koen Claessen, professor vid Institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers, kommer in i bilden. Tillsammans med sin forskargrupp är han i färd med att utveckla Scoria, ett programmeringsspråk som är skräddarsytt för sakernas internet och gör uppkopplade enheter säkrare.
– De flesta av dagens uppkopplade apparater är programmerade i C-språket som inte är designat för den här typen av enheter. Det är väldigt lätt att göra fel och felen kan användas för att hacka nätverken, med allt det kan innebära i form av att till exempel låsa upp dörrar, stänga av larm eller aktivera en säkerhetskamera, säger Koen Claessen.

Viktiga tidsaspekter
En stor utmaning i utvecklingen av Scoria är tid, i två olika avseenden: batteritid och ”mötestid”.
– Det finns många uppkopplade enheter i ett hus som ska prata med varandra via små radiosändare och -mottagare. Men de ska inte lyssna hela tiden eftersom lyssnandet slukar batteritid. Därför vilar enheterna i ganska stor utsträckning och kommer överens om att vakna och utbyta information till exempel var femte minut. För att de ska kunna kommunicera på det här sättet krävs programmering som tillåter utbyte av information i realtid vilket vi har tagit höjd för i Scoria.
Projektet har redan kommit en bra bit på väg.
– Vi har en prototyp som vi implementerat som ett inbäddat språk i ett annat språk, Haskell. Just nu testar vi olika features och studerar om vi genom Bluetooth kan skapa ett nätverk där uppkopplade enheter kan skicka meddelanden till andra enheter som vaknar, informerar vidare och sedan återgår i viloläge.
Koen Claessen påpekar att det finns standardprotokoll för detta ändamål men att forskargruppen vill se om de kan göra samma sak i Scoria eftersom programmet är skyddat från de typiska fel som lätt görs i C-språket.
– Programmering kan inte lösa alla luckor i Sakernas internet men några av de vanligaste felen kan vi undvika på detta vis.

Chalmers – Octopi

Utvecklingen av Scoria ingår i Octopi, ett femårigt forskningsprojekt som leds av Alejandro Russo, biträdande professor vid Institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers tekniska högskola. Tyngdpunkten ligger på att skapa ett skräddarsytt programmeringsspråk för Sakernas internet där säkerheten garanteras genom hela utvecklingsprocessen, snarare än att läggas till i efterhand. Projektet finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF.

www.chalmers.se

Framtidens mjukvarusystem

Pedro Trancoso, professor, Robin Adams, docent, Devdatt Dubhashi, professor och Anton Frisk Kockum, forskare i kvantfysik på Chalmers tekniska högskola. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Pedro Trancoso, professor, Robin Adams, docent, Devdatt Dubhashi, professor och Anton Frisk Kockum, forskare i kvantfysik på Chalmers tekniska högskola. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Genom att kombinera världsledande expertis inom både datavetenskap och kvantfysik kommer Chalmers i ett nytt projekt att utveckla en komplett mjukvarustack för programmering av kvantdatorer.

Kvantvärlden – i skalan av atomer och lägre – är paradoxal och bisarr. Partiklar verkar vara samtidigt både här och där, eller mystiskt intrasslade på avstånd. Kvantteknologi handlar om att utnyttja dessa konstiga fenomen för att skapa helt ny teknik med extraordinära möjligheter.
– Vi bevittnar idag den andra kvantrevolutionen. Den första handlade om att få en förståelse för materiens grundläggande egenskaper baserad på kvantmekanik. Den andra handlar om förmågan att manipulera enskilda partiklar och deras fysiska interaktioner, att bygga nya teknologier och system som utnyttjar kvantfenomen som superposition och intrassling för tekniska tillämpningar. Detta öppnar nya möjligheter för informationsbehandling, förklarar professor Devdatt Dubhashi, Chalmers tekniska högskola.

Kvantdatorn som teamet jobbar med. Foto: Johan Bodell
Kvantdatorn som teamet jobbar med. Foto: Johan Bodell

Byggs upp av kvantbitar
Den förväntade fördelen med kvantdatorer jämfört med vanliga datorer ligger i de grundläggande byggstenarna. I vanliga datorer är den minsta informationsbäraren den bit som kan ta antingen värdet 0 eller 1.
– Däremot använder en kvantdator kvantbitar som kan vara både 0 och 1 på en gång, på grund av den kvantegenskap som kallas superposition. Fördelen kommer av att varje kvantbit kan representera två värden samtidigt, så det totala antalet möjliga samtidiga tillstånd fördubblas med varje adderad kvantbit. Redan 300 kvantbitar skulle kunna representera fler värden på en gång än det finns partiklar i hela universum. För att överträffa beräkningskraften i dagens superdatorer krävs det bara 50–60 välfungerande kvantbitar, förklarar Anton Frisk Kockum, Chalmers tekniska högskola.

Samverkan en förutsättning
Devdatt Dubhashi forskar på avdelningen för Data Science och AI, Institutionen för data- och informationsteknik, och Anton Frisk Kockum är forskare i kvantfysik på Wallenberg Centre for Quantum Technology.
– Ett av målen med projektet är att bygga en kraftfull forskningsmiljö i Sverige, här på Chalmers, som inte funnits tidigare, där datavetenskap och kvantfysik jobbar tillsammans för att utveckla programmering för en kvantdator. I internationella ansträngningar (som i Google Quantum AI-teamet) arbetar datavetare och kvantfysiker nära ihop sedan länge, förklarar Devdatt Dubhashi.

Vet inte nyttan ännu
I projektet ”QuantumStack: Programmering av kvantdatorn” kommer de att utveckla en komplett mjukvarustack som täcker hela skalan av uppgifter från applikationer, algoritmer och programmeringsspråk hela vägen till implementering på fysisk hårdvara.
– Exakt vilken användning man kan ha av en kvantdator vet man ännu inte, men de förutspås vara särskilt lämpade att lösa problem som innebär ett stort antal möjligheter, såsom beräkning av egenskaper hos stora molekyler, och eventuellt optimeringsproblem inom logistik eller maskininlärning, förklarar Anton Frisk Kockum.
Han konstaterar att det finns ett mycket stort intresse i världen för kvantdatorer och deras förmodade revolutionerande potential, men det är ännu mycket som återstår av forskning och utveckling.
– En av de uppgifter vi kommer att jobba med i projektet är att försöka hitta likheter och skillnader mellan kvantdatorer och vanliga datorer. Exempelvis vet man att algoritmerna som används i en kvantdator är annorlunda men samtidigt finns saker som är lika, så genom att identifiera likheter och skillnader så slipper vi börja helt från början.
För att testa om det de utvecklar i de olika stegen i mjukvarustacken fungerar kommer de att utvärdera de resulterande kvantprogrammen i simuleringar på en klassisk dator.

Bygger upp nytt team
Det var bara för ett par veckor sedan som de fick besked om att de fått ca 35 miljoner kronor av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) till sitt projekt, och nu påbörjas arbetet med att anställa doktorander, postdoktorer och forskare som kan ta sig an uppgifterna.
– Det är redan ett antal nya som börjar på våra respektive institutioner för andra projekt och som också kommer att engageras i detta. Bland annat en forskare från MIT som kan ha nytta av våra resultat i sin egen forskning inom molekylärbyggnad, där en kvantdator förväntas ha en stor potential, förklarar Devdatt Dubhashi.

Klicka här för att läsa mer om Quantum Computing

Chalmers – QuantumStack

I projektet ”QuantumStack: Programming the Quantum Computer”, finansierat av Strategiska Stiftelsen, kommer Institutionen för data- och informationsteknik (D&IT/CSE) på Chalmers att inleda ett nära samarbete med Wallenberg Centre for Quantum Technology, WACQT, ett stort forskningscentrum för kvantteknologi. Målsättningen är att sammanföra expertis inom både datavetenskap och kvantfysik för att forska inom hela mjukvarustacken som krävs för att programmera en kvantdator.

www.chalmers.se

Terahertzsensor för nyskapande kontroll av läkemedel

Anders Sparén, Staffan Folestad, Anis Moradikouchi, Jan Stake och Helena Rodilla. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Anders Sparén, Staffan Folestad, Anis Moradikouchi, Jan Stake och Helena Rodilla. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

– Vi vill överbrygga terahertzgapet som är den outforskade delen mellan ljus och radiovågor. Målet är att hitta nya användningsområden för THz-spektroskopi och utnyttja tekniken vid framställning av moderna läkemedel, säger Anis Moradikouchi, industridoktorand vid Chalmers.

Sedan tre år tillbaka arbetar en tvärvetenskaplig forskargrupp vid Chalmers med att hitta nya användningsområden för THz-spektroskopi. En viktig roll i forskningsarbetet innehas av industridoktoranden Anis Moradikouchi som tillsammans med sina handledare, Helena Rodilla, docent vid Chalmers och Anders Sparén, senior forskare vid AstraZeneca, tagit sig an utmaningen.
– I det här projektet enas forskare från olika vetenskaper kring ett gemensamt mål, att med hjälp av terahertzteknik utveckla en sensor som i realtid kan kvalitetskontrollera läkemedel under tillverkning, berättar Anders Sparén.
Till saken hör att läkemedelsindustrin under de senaste tio åren alltmer frångått batchproduktion för att i stället producera läkemedel kontinuerligt. Kvalitetskontrollen av produkter som tabletter har traditionellt gjorts på slutprodukten, vilket kan ta allt från ett par timmar till ett par veckor.
– Vi vill med hjälp av THz-spektrometri flytta analysen närmare produktionen och i idealfallet göra den i realtid, i samband med själva tillverkningen.

Terahertzsensor
Spektroskopiska tekniker är inte något nytt inom läkemedsindustrin. Det som är nytt är att arbeta i terahertzbandet. Terahertzstrålning kan nämligen användas för att karakterisera bulkmaterialegenskaper som porositet och densitet.
En annan fördel är THz-strålningens förmåga att tränga in i material som inte är elektriskt ledande. Tekniken kan därmed användas för att avbilda innehållet i olika förpackningar och inkapslingar. Och det är här som Anis Moradikouchi och hennes forskning kommer in i bilden.
– Ett första delmål var att karakterisera och undersöka känsligheten av en modell som jag utvecklat för ändamålet. Just nu arbetar jag med att identifiera tabletter, pulver och andra material med hjälp av tekniken. Här finns redan en del lovande resultat.
Helena Rodilla påpekar detta är ett första steg mot implementeringen av en produktionslinjeanpassad sensor.
– Samarbetet med forskare från olika vetenskapliga fält är en förutsättning för att vi ska lyckas. Det är i skärningspunkten mellan de olika vetenskapliga disciplinerna vi hoppas kunna utveckla något helt nytt: en terahertzsensor för kontroll av moderna läkemedel som i realtid kan karakterisera såväl innehåll som form av medicin.

Chalmers – Terahertzsensorer

Med terahertzsensorer för framställning av moderna mediciner vill vi demonstrera en beröringsfri sensor som klarar av att i realtid karakterisera både innehåll och fysiska egenskaper av läkemedel under tillverkning samt möjliggöra mer effektiva tillverkningsprocesser för att säkra tillgång till moderna läkemedel.

www.chalmers.se

NMR-spektroskopi på leviterande droppar

Romain Bordes, doktorand Smaragda-Maria Argyri och Lars Evenäs, verksamma vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Romain Bordes, doktorand Smaragda-Maria Argyri och Lars Evenäs, verksamma vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Framgångsrik forskning är ofta ett resultat av ingivelser, nyfikenhet och envishet. På Chalmers har forskare genom att pröva en lite vild idé lyckats skapa banbrytande teknologi för NMR-spektroskopi för leviterande material. Tekniken ger helt nya möjligheter till detaljerad kemisk och fysikalisk analys.

Det var efter att Romain Bordes, docent i ytkemi vid Chalmers, byggt en akustisk ultraljudslevitator, som han tillsammans med kollegan Lars Evenäs, biträdande professor i ytkemi, kom på att den kunde testas i kombination med NMR-spektroskopi. Detta kunde potentiellt ge ett riktigt brett användningsområde, resonerade de.
En ultraljudslevitator kan få en vätskedroppe att stå helt stilla i luften, medan NMR-spektroskopi är en analytisk teknik för att erhålla detaljerad information på atomnivå av kemiska, spatiala, strukturella och dynamiska egenskaper. Fördelen med att studera leviterande droppar med NMR-spektroskopi är att dropparna inte påverkas av omgivande material, som ett glasrör. Analysen blir därmed mycket exakt i de fall där gränsytan med omgivande luft har betydelse.
– Det finns mycket kraftfull magnetutrustning på Chalmers och vi fick bidrag från SSF för att testa vår idé. Resultatet har blivit mycket lyckosamt, berättar Lars Evenäs.

Många utmaningar
Forskargruppen har under de tre år som forskningen pågått löst en rad utmaningar.
– Bland annat fick vi hitta ett sätt att få in levitatorn i NMR-magneten och sedan hålla vätskedroppen stabil utan att kunna se den. Alla komponenter måste vara icke-magnetiska och levitatorns stabilitet öka. Vi ville också skapa en användarvänlig teknologi med så kallad open-source hardware. När vi fick vår första anspråkslösa avbildning av en vätskedroppe var det ett stort ögonblick, säger Romain.

Redo att publicera
Forskarna har nu byggt själva apparaturen, grundligt testat och finslipat teknologin och står redo att publicera vetenskapliga artiklar. De möjliga framtida tillämpningarna är många, eftersom teknologin lämpar sig för snart sagt alla discipliner där vätskor och mjuka material studeras. Livsvetenskaperna, kemiindustrin, materialutveckling och livsmedelstillverkning är några områden.
– Vi har arbetat med simulering och strävat efter bästa design och levitatorprestanda, förklarar Romain och Lars.
– Nu är det dags för andra att också ta vid och utveckla tekniken för olika nischer och användningsområden.

Chalmers – NMR på droppar

Att vetenskapligt studera ett material som utgörs av en fristående vätskedroppe är användbart för en rad olika discipliner inom materialvetenskap, industriell bearbetning, livsvetenskaper och farmaceutisk teknologi. NMR-spektroskopi (kärnmagnetisk resonansspektroskopi) är en analytisk teknik för att erhålla detaljerad information på atomnivå. Forskare på Chalmers har nu nått sina primära mål: att placera en fristående leviterad vätskedroppe inuti en NMR-magnet samt att med avancerad NMR-spektroskopi analysera den svävande droppen.

www.chalmers.se

bordes@chalmers.se
lars.evenas@chalmers.se

Modern materialteori ska få hjulen att rulla snabbare

Per Hyldgaard, professor på avdelningen för elektronikmaterial och system vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Per Hyldgaard, professor på avdelningen för elektronikmaterial och system vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Per Hyldgaard, professor på avdelningen för elektronikmaterial och system vid Chalmers, leder en forskargrupp som utvecklar en ny plattform för modern materialteori.
– Vi hoppas att våra beräkningsmetoder ska bidra till utvecklingen inom en rad viktiga områden.

Samhällsutvecklingen gynnas av snabba framsteg inom materialforskningen. Men att utveckla en teori som kan förutsäga materialfunktion endast utifrån atompositioner är ingen lätt uppgift. En utmaning för snabba framsteg i sammanhanget är att materialteori också är ett gammalt och beprövat forskningsfält. Nytänkande bemöts ibland med skepticism.
– Därför har vi lagt ner mycket arbete på att visa att vi är konkurrenskraftiga på det som forskare redan litar på inom denna tekniska teori. Allt det gamla och beprövade fungerar mycket väl även i vår nya plattform. Skillnaden är att vi också tillhandahåller ett nytt och mer allmänt synsätt och samtidigt ökar noggrannheten för studier av många fler system och processer, förklarar Per Hyldgaard.
Arbetet har pågått under lång tid; för 20 år sedan resulterade det i starten på forskargruppens nya generella beräkningsmetod för materialegenskaper, kallad vdW-DF.
Under senare tid har fokus varit på att skapa uppmärksamhet kring den plattformen, att bredda verktygslådan och få ut det nya beräkningssättet till fler forskare inom olika discipliner.
– Syftet är att skapa en feedbackloop där forskarnas erfarenheter av att använda plattformen i praktiken också kan användas till att förfina våra modeller ytterligare.

Många applikationer
Biokemi är ett område där forskargruppens moderna materialteori kan komma till stor nytta.
– De fundamentala processerna i livets gång beror på att molekyler växer med en blandning av starka och svaga växelverkningar, men de måste också ha stabilitet. Tidigare kunde man beskriva molekylernas stabilitet, men inte i kombination med själva processen, och det är här vi tror att vi har något att komma med, säger Per Hyldgaard.
En annan intressant applikation är grön teknologi.
– Det finns material som likt en svamp kan suga upp koldioxid ur luften, men då vill man att materialet enbart fångar koldioxid och inte vatten. Problemet kan lösas genom att molekylernas små växelverkningar definieras samtidigt med de stora, vilket är möjligt med hjälp av våra beräkningsmodeller.
För framtiden hoppas Per Hyldgaard att forskargruppens arbete ska bli en pusselbit både i kampen för klimatet och inom andra områden.
– Modern materialteori kan bidra till utvecklingen inom en rad olika discipliner, och vårt projekt är en del i den strävan.

Klicka här för att läsa mer om mig och mina projekt

Chalmers – modern Materialteori

Forskningsprojektet ”En plattform för modern materialteori” har fokus på utveckling och implementering av vdW-DF som är namnet på forskargruppens generella beräkningsmetod för materialegenskaper. Projektet stöds av SFS med 6,8 miljoner under åren 2018–2022.

chalmers.se

Den gröna pulvertekniken

Lars Nyborg, professor i ytteknologi vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav
Lars Nyborg, professor i ytteknologi vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav

Sverige är världsledande på att göra metallpulver och tack vare ny forskning, där nanoteknik används på nya sätt, kan sintrade metallpulverkomponenter nå full täthet och därmed kunna användas i betydligt fler applikationer än idag.

Det berättar Lars Nyborg, professor i ytteknologi vid Chalmers tekniska högskola. Han har lett ett stort forskningsprojekt, ”Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål”, som nu avslutats med mycket goda resultat.
– Vi har byggt upp en kunskapsplattform för många olika nanopulver vi tagit fram, de kan användas som tillsatser till vanligt metallpulver för att passa för olika tillämpningar. Vi har även tagit fram metoder och modeller för att kunna testa avancerade pulvermaterialkomponenter i labbmiljö.

Hållbarhetsaspekter viktiga
Han berättar också att komponenter tillverkade av metallpulver, genom sintring eller pressning, är betydligt hållbarare än många andra metallkomponenter.
– Det handlar både om att metallpulver i sig självt är ett grönare material då man alltid använder hundra procent av råmaterialet, det blir inget spill under tillverkningen. Även tillverkningskedjan är mer hållbar då man exempelvis inte behöver lika höga temperaturer som i vanlig ståltillverkning.
Då samhället står inför en stor omstöpning i och med elektrifieringen innebär det att bland annat fordonsindustrin kommer att behöva utveckla nya produktionsprocesser och produkter.
– Det blir stora utmaningar för industrin och jag ser att pulvermaterialkomponenter kan spela en stor roll när nya lösningar är på väg in. Men då måste den typen av komponenter upp i prestanda ett par nivåer, vilket är vad vi har bidragit till i det genomförda projektet.

Optimala metoder och material
I projektet valde de att testa den nya tekniken på transmissionskomponenter, men resultaten kan användas på många andra produkter.
– I projektet har vi fått alla pusselbitar att fungera ihop, från de nanopulver vi tagit fram till att addera dem till vanliga metallpulver och därigenom kunnat få fram sintrade eller pressade pulvermaterialkomponenter med i stort sett full täthet.
Utöver den avancerade teknikutvecklingen har de även utvecklat hållbarhets- och kostnadsmodeller.
– Med dem kan man utvärdera olika tillverkningsprocesser ur ett systemperspektiv för att kunna avgöra vilka typer av produktionsmetoder och material som är mest optimala, avslutar Lars Nyborg.

Chalmers – Nanosinterstål

Projektet ”Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål” har finansierats av Stiftelsen för strategisk forskning. Utöver de rent tekniska framstegen har även mycket kunskap byggts upp, ett antal doktorander har disputerat och ny samverkan skapats internationellt.

E-post: lars.nyborg@chalmers.se

Vill omvandla koldioxid till livsmedelsingredienser

Håkan Jönsson, Per-Olof Syrén och Paul Hudson vid KTH. Foto: Johan Marklund
Håkan Jönsson, Per-Olof Syrén och Paul Hudson vid KTH. Foto: Johan Marklund

En växande global livsmedelsmarknad med allt högre krav på hållbar produktion skapar behov av nya innovativa produktionssystem. Projektet ”Food ingredients from CO2 with flexible microbial consortia” ska möjliggöra tillverkning av exempelvis palmolja från endast ljus och koldioxid.

I projektet kommer de att utveckla ett mikrobiellt produktionssystem för livsmedelstillsatser som uppfyller två viktiga behov: det är tillräckligt flexibelt för att producera matoljor och andra tillsatser och det har en billig och riklig insatsvara vilket utgörs av avfall från Sveriges skogsindustri.
– Vi kommer använda ett fotosyntetisk mikrobiellt konsortium för att effektivt fixera och konvertera CO2 till näring i form av socker, vilken sedan tillgodogörs av jästfabriker för att producera palm- och kokosnötsolja, förklarar Paul Hudson, universitetslektor vid KTH.

Bidrar till hållbarhetsmålen
Projektet har ett viktigt hållbarhetsmål då de vill tillverka exempelvis palmolja utan att behöva hugga ner en massa träd på tropiska plantager, vilket är förknippat med avskogning och stor åtgång av odlingsbar mark.
– Vi föreställer oss att många livsmedelstillsatser som för närvarande skördas från otaliga växter runt om i världen istället kan produceras lokalt via jäsning, med hjälp av de framsteg som gjorts inom detta projekt. Så det här projektet kan utgöra en viktig milstolpe i en självförsörjande livsmedelsproduktionskedja i Sverige, förklarar Paul Hudson vidare.

Klicka här för att läsa mer om projektet

Högkvalitativ samverkan
Det är fyra olika forskningsgrenar som samverkar inom projektet:
• Paul Hudsons forskargrupp ska optimera fotosyntetiska cyanobakterier för att effektivt fånga upp koldioxid och omvandla det till socker. Sockret kommer sedan att omvandlas av jäst till matolja.
• På Chalmers ska professor Verena Siewers forskargrupp skapa jäststammar som kan omvandla sockret till önskade oljor.
• På KTH ska Per-Olof Syréns forskargrupp utveckla tekniker som kan tillverka stabila enzymer som styr vilken typ av matolja som bildas.
• Ett tredje team på KTH leds av Håkan Jönsson och kommer genom high-throughput screening att identifiera de mest effektiva cyanobakterierna och enzymerna för projektet.

Flera utmaningar
En av utmaningarna i projektet är att få fram jäststammar som omvandlar till just de specifika livsmedelsingredienser som de är ute efter, och i tillräckligt stor mängd.
– Jäst kan producera generella oljor utan specificerade egenskaper. I det här projektet vill vi kunna styra jästens metabolism så att resultatet blir just palmolja, kokosnötsolja eller annan olja. Vi har i tidigare projekt på en principiell nivå visat att jäst kan producera lipider som liknar kakaosmör. Nu vill vi förbättra det systemet för att dels få en högre renhet på slutprodukten dels en större kvantitet.
Det som styr vilken olja som bildas är olika enzymer, och i projektet kommer Per-Olof Syrén och hans kollegor utveckla en tillverkningsprocess för stabila enzymer av rätt sort som också kan överleva över tid.
– Vi har sedan tidigare utvecklat en pipeline för sekvensbaserad design av enzymer som vi kommer att använda och utveckla vidare i projektet. Vi kommer bland annat att kombinera den med AI för att förstå hur ett enzym som krävs för att exempelvis skapa palmolja ser ut i 3D. När vi vet det blir det lättare att styra tillverkningen mot de enzymer som Verena Siewers behöver i sin jästprocess för att tillverka specifika typer av matoljor, förklarar han.

Komplex gallringsprocess
En annan stor utmaning i projektet är att bland tusentals och åter tusentals olika cyanobakterier och enzymer hitta de som är mest verkningsfulla i just den här processen, vilket är vad Håkan Jönssons forskargrupp ska bidra med i projektet.
– Vi har utvecklat en teknik baserad på droppmikrofluidik med hög genomströmning för screeningprocesser på cellnivå. Med den tekniken kan vi på kort tid testa ett stort antal varianter av exempelvis cyanobakterier eller enzymer mot ett antal specificerade kriterier och sålla ut de som är mest effektiva.
Det blir en iterativ process där Paul Hudson och Per-Olof Syrén tillsammans med Verena Siewers bestämmer ett antal kriterier som de vill testa mot för att hitta cyanobakterier och enzymer med högst effektivitet. I nästa steg tar de fram snävare kriterier utifrån de mest effektiva i första steget och sedan testar de sig igenom ett antal omgångar tills de hittar de allra mest effektiva.

Verena Siewers vid Chalmers. Foto: Martina Butorac
Verena Siewers vid Chalmers. Foto: Martina Butorac

Klicka här för att läsa mer om projektet

KTH – Food, feed and forest

I SSF:s utlysning ”Biotechnology and plant breeding – food, feed and forest”, en multidisciplinär bioteknisk satsning med fokus på växtförädling och med målen ökad svensk självförsörjning och export, samt minskad klimatpåverkan, fick ”Food ingredients from CO2 with flexible microbial consortia” 29 miljoner. Projektet kommer att drivas 2022–2026.
Konsortiet består av SciLifeLab Fellow Paul Hudson (KTH) och tre andra forskargrupper från KTH och Chalmers, däribland Håkan Jönsson (SciLifeLab/KTH), Per-Olof Syrén (SciLifeLab/KTH) och Verena Siewers (Chalmers).

kth.se
chalmers.se
scilifelab.se

Säkrare och effektivare kärnkraft i SSF-projekt

Mattias Thuvander, docent på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Mattias Thuvander, docent på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Kärnkraft är en viktig del av energimixen och säkerheten är avgörande. Krombelagda bränslerör och nya bränslen kan vara en lösning för att både minska risken för olyckor och öka energieffektiviteten. I ett stort SSF-finansierat projekt leder Mattias Thuvander en grupp forskare som studerar detta ända ner på atomnivå.

Projektet har tre fokusområden: att utveckla nya beläggningar på bränslerören och på så sätt göra dem mindre känsliga för korrosion, att studera om bränslet, som idag består av urandioxid, kan ersättas av urannitrid i framtida reaktorer, samt att utveckla undersökningsmetoder för att studera använt radioaktivt bränsle. Urannitrid har högre effekt i kärnklyvning och bättre termiska egenskaper, i synnerhet i ett olycksscenario. Forskningen är en del av SSF-programmet Material för energiapplikationer och är ett samarbete mellan Chalmers, Uppsala universitet och KTH.
På Chalmers fysikinstitution är fokus framför allt på den renodlade materialforskningen.
– Ett problem med dagens bränslerör är att de korroderar snabbt vid hög värmeutveckling och vi såg mycket allvarliga konsekvenser av detta vid olyckan i Fukushima 2011. Vi forskar om hur man genom att belägga rören exempelvis med krom kan förhindra korrosion och då också få ut mer energi från bränslet, berättar Mattias Thuvander, docent på Chalmers.

Bra resultat
Genom avancerad tomografi studerar forskarna på Chalmers materialet atom för atom efter såväl normal drift som efter simulerade olyckor. Metallisk krombeläggning har visat sig fungera mycket bra i tryckvattenreaktorer, som är den typ som används på bland annat Ringhals, och Mattias tror att krombelagda rör kommersialiseras inom några år.
– De testas idag i sådana reaktorer i Belgien och USA och visar goda resultat, med mindre oxidering och högre nötningsbeständighet. I kokvattenreaktorer, som finns vid exempelvis Oskarshamn och Forsmark, är vattenmiljön mer oxiderande, så där återstår en del utmaningar. En lösning som vi studerar är att använda krom/niob-nitrider, säger han.

Energieffektiva
Förutom förhöjd säkerhet och tålighet gör krombelagda rör att man kan få ut mer energi ur samma mängd uran.
– De kostar mer att tillverka, men långsiktigt kan de bidra till att få ner driftskostnaderna och därmed visa sig vara kostnadseffektiva och ge mindre mängd avfall för slutförvaret, förklarar Mattias Thuvander.
Mattias vill gärna lyfta fram vikten av SSF:s finansiering.
– Den här typen av tvärvetenskapliga projekt ger spännande synergier och får effekt på många plan. Delar av detta kommer exempelvis att ingå i Energimyndighetens projekt om små modulära reaktorer, så det kommer till nytta även där, liksom i projekt om fjärde generationens reaktorer.

Chalmers / ssf – energimaterial

Mattias Thuvander, docent på Chalmers, leder ett materialforskningsprojekt med syftet att förbättra säkerheten i kärnkraftverk. Projektet är ett samarbete mellan Chalmers, KTH och Uppsala universitet. Westinghouse, Sandvik, Vattenfall, Höganäs, OKG, Onsala Engineering och Studsvik medverkar också. Projektet får bidrag från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF.

För mer information, kontakta:
Mattias Thuvander, docent, Chalmers
Tel: 031-772 33 22
mattias.thuvander@chalmers.se

chalmers.se

Optiska länkar för tuffa miljöer

Peter Andrekson, Henk Wymeersch, Anders Larsson och Lars Svensson i projektet Hot Optics. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Peter Andrekson, Henk Wymeersch, Anders Larsson och Lars Svensson i projektet Hot Optics. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

I takt med att beräkningssystem blir allt kraftfullare ersätts elektriska datakablar och förbindningar med optiska. Men dessa är känsligare för hög värme och temperatursvängningar. I projektet Hot Optics vid Chalmers utvecklas optiska datakablar som tål tuffa miljöer med stora temperaturvariationer.

Optiska datakablar och förbindningar har använts länge i infrastrukturen i våra informations- och kommunikationssystem eftersom de har högre kapacitet och är betydligt energisnålare än deras elektriska motsvarigheter. Den stora nackdelen är att de inte tål hög värme och stora temperaturintervall lika bra. Idag när optiska datakablar används i allt fler tillämpningar, exempelvis i fordon och i avancerad militär radarutrustning, ökar kraven på att de ska klara extrema temperaturförhållanden med bibehållen prestanda.

På vindrutan
– Om exempelvis en datakabel används för en kamera på bilens vindruta ska de tåla temperaturer på mellan minus 40 och plus 125 grader. Men även i till exempel serverhallar måste de kunna klara högre temperaturer och större variationer eftersom de i allt större utsträckning monteras inne i datautrustningen, nära de stora varma kretsarna, för att ge större beräkningskapacitet, förklarar Anders Larsson, professor i optoelektronik vid Chalmers och ansvarig för Hot Optics.

Företag i styrgrupp
Hot Optics finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, inom ramen för forskningsprogrammet Computing and Hardware for ICT Infrastructures (SSF CHI). Det är multidisciplinär forskning, med expertis inom optoelektronik, elektronik, optisk kommunikation och maskininlärning. Volvo Cars, Saab Surveillance samt Nvidia ingår i projektets styrgrupp. Nvidia har en stark koppling till Anders Larssons tidigare forskning. Den amerikanska datasystemjätten förvärvade under förra året OptiGOT, ett start-upföretag knutet till Chalmers Ventures, som kommersialiserat Anders Larssons forskning om lasrar för hög­effektiv dataöverföring.
– De här tre företagens engagemang i projektet garanterar forskningens relevans för svensk industri och att resultaten kommer industrin till godo i ett tidigt skede. Jag hoppas att vi kommer att se applikationer som implementeras redan i slutet av projektets löptid på fem år. Utvecklingen går väldigt snabbt inom detta område, avslutar Anders Larsson.

Chalmers – Hot Optics

Hot Optics syftar till att utveckla nya optoelektroniska komponentteknologier, elektroniska kretsteknologier och optiska signalmetoder som gör att optiska datalänkar kan fungera vid betydligt högre temperaturer och över ett mycket större temperaturintervall än vad som är möjligt med dagens teknik. I projektet ingår fyra forskargrupper vid Chalmers samt Volvo Cars, Saab Surveillance och Nvidia.

www.chalmers.se