Etikettarkiv: Materialvetenskap

Kvantfysiker bygger broar till stålindustrin

Song Lu, kvantforskare på KTH. Foto: Johan Marklund
Song Lu, kvantforskare på KTH. Foto: Johan Marklund

Rörlighet och samverkan mellan akademi och industri är avgörande för Sveriges konkurrenskraft. På KTH lyfter forskare svensk stålproduktion till nya nivåer med hjälp av kvantmekanisk teori.

Levente Vitos, professor på KTH.
Levente Vitos, professor på KTH.

Inom ramen för det SSF-finansierade programmet Strategisk mobilitet har Levente Vitos, professor i beräkningsbaserad materialdesign och chef för tillämpad materialfysik på Enheten för egenskaper på KTH, och hans team sedan flera år en nära samverkan med företag inom stålindustrin. Syftet är att omsätta avancerade kvantmekaniska teorier till användbara verktyg för industriell tillämpning. Under de senaste sju åren har forskarna samverkat inom olika kvantmekaniska frågeställningar med tre stora stålproducenter: Outokumpu, Sandvik Coromant samt Sandvik Materials Technology, SMT.
– Det är första gången som teoretiska forskare från akademin fått möjlighet att introducera kvantmekanisk materialmodellering hos de här stora industrierna. Vi bidrar med materialkunskap på atomnivå, så att industrin kan skapa effektivare, hållbarare och mer intelligenta produkter. Detta är helt nödvändigt om svenska ståltillverkare ska ha en ledande position i en allt hårdare internationell konkurrens, säger Levente Vitos.

Konkreta resultat
Samarbetet har burit frukt och fått konkreta resultat. En långsiktig samverkan med SMT har fortsatt, med sikte på att utveckla ett mer effektivt material för magnetiska värmepumpar. I samverkan med Sandvik Coromat arbetar KTH-forskarna för att hitta ersättning till den giftiga kobolten i hårda metaller. Outokumpu har anställt en av Levente Vitos tidigare doktorander och har ett nära samarbete med Song Lu, kvantforskare på Enheten för egenskaper på KTH. Tillsammans undersöker de flera frågeställningar, bland annat om plasticitet och de mekaniska egenskaperna hos stål.
– Vi kan inte besvara alla frågor omedelbart, men genom vår dialog bygger vi broar, som leder till en djupare förståelse. Det är två kulturer som möts och båda bidrar med sitt unika perspektiv. Inte minst viktigt är att vi utvecklar ett gemensamt vetenskapligt språk, säger Song Lu.

Gynnar båda sektorer
Stålsektorn är en av Sveriges allra viktigaste basindustrier och av avgörande betydelse för svensk ekonomi och välstånd.
– Vi vill med dessa projekt bidra till svensk samhällsnytta och konkurrenskraft. Samtidigt stärks vår egen forskning. Den här typen av strategisk mobilitet är enormt gynnsam för både akademi och industri, avslutar Levente Vitos.

kungliga tekniska högskolan – Kvantmekanik för stål

Institutionen för Materialvetenskap ansvarar för forskning och undervisning inom allt från konstruktionsmaterial till avancerade material.
Tillämpad materialfysik forskar om förhållandet mellan mekaniska, teknologiska och magnetiska egenskaper, liksom sammansättning och mikrostruktur hos material, både ur ett grundläggande och ett tillämpat perspektiv.

Institutionen är medlem i Scientific Group Thermodata Europe (SGTE).

www.met.kth.se

Kartlägger teori för material med hjälp av superdatorer

Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet. Foto: Magnus Johansson, Linköpings universitet
Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet. Foto: Magnus Johansson, Linköpings universitet
Björn Alling har med hjälp av superdatorer tagit fram en beräkningsmetod som visar vad som händer i magnetiska material när de utsätts för höga temperaturer. Ett viktigt framsteg som kan leda till en mer beräkningsstyrd utvecklingsprocedur inom hela materialvetenskapsindustrin.

Historiskt sett har experiment varit den definierande metodologin inom materialvetenskapen, sedan har fysikens teorier använts för att förstå och förklara resultaten.
– Vi vill göra tvärtom, säger Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet.
Han berättar att det senaste decenniet fört med sig stora genombrott inom teoretisk materialforskning. Forskarna vet idag vilka beräkningsmetoder som är de mest noggranna och har även fått tillgång till superdatorkrafter för att göra beräkningarna. Det finns dock fortfarande ett antal kunskapsluckor, inte minst inom området magnetiska material.
– Det har inte funnits metoder för hur man utifrån kvantmekanisk noggrannhet tar hänsyn till såväl magnetiska temperaturer som vibrationseffekter och andra typer av oordning som finns i materialen. Det är här vår forskning kommer in i bilden.

Milstolpe
Resultaten har inte låtit vänta på sig. I höstas publicerade forskargruppen en uppmärksammad artikel i den ansedda vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters.
– Vi har tagit fram en metod som förenar teorin för magnetisk och vibrationell oordning vid höga temperaturer. Ingen före oss har fått beräkningarna att stämma med hur materialet fungerar i verkligheten. Vår metod sätter nu standard för hur den här typen av beräkningar kan utföras med högsta möjliga ambitionsnivå.
Forskargruppen arbetar nu vidare med metoden i syfte att generalisera dess tillämpbarhet och göra den enklare att använda.
– Målet är att vår forskning ska bidra till att materialvetenskapen kan dra maximal nytta av den revolution som sker inom datorvetenskapen och på hårdvarusidan. På längre sikt hoppas jag att vår forskning kan vara en pusselbit i arbetet med att skynda på de teknikomställningar som krävs för att lösa de stora samhällsutmaningarna inom klimat och miljö, avslutar Björn Alling.

Linköpings universitet
Nya material kan lösa många av de stora utmaningar som världen står inför. Björn Alling har 12 miljoner kronor i forskningsanslag från Stiftelsen för strategisk forskning där forskningsinriktningen är att med hjälp av super­datorberäkningar och kvantmekanik skynda på utvecklingen av nya material.

Linköpings universitet
581 83 Linköping
www.liu.se

Kvantforskning tar kliv in i stålindustrin

Från vänster: Song Lu, Valter Ström, Raquel Lizarraga, Claudio Lousada, Levente Vitos, Pavel Korzhavyi, Xiaoqing Li, Stephan Schönecker och Stefan Jonsson (saknas gör Rolf Sandström).
Från vänster: Song Lu, Valter Ström, Raquel Lizarraga, Claudio Lousada, Levente Vitos, Pavel Korzhavyi, Xiaoqing Li, Stephan Schönecker och Stefan Jonsson (saknas gör Rolf Sandström).
Steget mellan avancerad grundforskning och dess tillämpning på verkstadsgolvet behöver inte vara långt.
Professor Levente Vitos och hans team på KTH visar hur grundläggande kvantmekanik kan omsättas i smarta metoder och produkter i stålindustrin.

Levente Vitos, professor i tillämpad materialfysik, leder den nyligen etablerade Enheten för egenskaper vid Institutionen för materialvetenskap på KTH. Där arbetar han och hans tvärvetenskapliga grupp över ett brett fält, som spänner från kvantmekanisk grundforskning till nyttiggörande av de teoretiska modellerna inom svensk industri.
– Vi är en av få grupper internationellt som kombinerar en så bred kompetens i såväl grundforskning som tillämpning och samtidigt arbetar i nära samverkan med industrin. Vår styrka är de synergier som uppstår i det interdisciplinära arbetssättet, och tack vare det är våra resultat mycket robusta, säger han.

Mångsidig samverkan
Verksamheten inom enheten omfattar sammanfogad teoretisk-experimentell forskning om de mekaniska, kemiska och magnetiska egenskaperna hos högteknologiska material. De teoretiska prediktionerna verifieras av laboratorietester ”in-house” och därefter i en industriell miljö. Tack vare bidrag från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, inom ramen för programmet Strategisk mobilitet, har gruppen nära samarbetsprojekt med stålindustrierna Outokumpu samt Sandvik Coromant och Sandvik Materials Technology. Enheten har även samarbeten som går långt tillbaka med Scania och SKB.
– Interaktionen mellan akademin och industrin är avgörande för att nyttiggöra vår forskning och vi vill utveckla detta ytterligare, med nya samarbeten. Det är först de senaste 15 åren som de kvantmekaniska modellerna varit tillräckligt exakta för att kunna tillämpas i industrin. Vi upplever en revolution, säger Levente Vitos.

Unga ”kvantsmeder”
Han framhåller att företagen är experter på sina produkter och produktionslinjer och har stor kunskap om vad de ska göra och hur det ska göras.
– Vi besvarar frågan om varför material uppför sig på ett visst sätt på atomnivån, så att industrin kan utveckla mer kostnads- och tidseffektiv intelligent design.
En av Levente Vitos hjärtefrågor är att bidra med fler av det han kallar ”kvantsmeder” som kan medverka till att lyfta den svenska stålindustrin till nya positioner.
– Det är enormt värdefullt med unga forskarstuderande med en solid bakgrund i kvantmekanik som går in och bedriver forskning i samverkan med industrin. De är nyckeln för att svensk stålindustri ska kunna hävda sig i den allt hårdare internationella konkurrensen.

KTH – Institutionen för Materialvetenskap
Institutionen för Materialvetenskap ansvarar för forskning och undervisning inom allt från konstruktionsmaterial till avancerade material.
Enheten för egenskaper forskar om förhållandet mellan mekaniska, teknologiska och magnetiska egenskaper, liksom sammansättning och mikrostruktur hos material, både ur ett grundläggande och ett tillämpat perspektiv
Institutionen är medlem i Scientific Group Thermodata Europe (SGTE).
www.met.kth.se

Kvantmekanisk materialforskning

Levente Vitos, Raquel Lizárraga och Erik Holmström.
Levente Vitos, Raquel Lizárraga och Erik Holmström.
En stor utmaning för teoretiska materialfysiker har länge varit att kunna omsätta väletablerade kvantmekaniska teorier till direkt användbara verktyg för industriella tillämpningar. Inom ett samarbete mellan KTH och Sandvik Coromant har man dock börjat kunna visa hur stor nytta kvantmekanik faktiskt kan göra för svensk materialutveckling.

Det är professor Levente Vitos grupp på Institutionen för Materialvetenskap KTH som genom ett flertal samarbetsprojekt med modelleringsgruppen på Sandvik Coromant har lyckats föra in kvantmekaniska beräkningar som standardverktyg. För närvarande jobbar Levente deltid på Sandvik Coromant genom ett SSF-finansierat projekt för strategisk mobilitet. Levente Vitos och Raquel Lizárraga från KTH har jobbat med Erik Holmström från Coromant för att modellera fram alternativ till kobolt i hårdmetallprodukter under de senaste fyra åren. Kobolt används för att binda ihop partiklar av volframkarbid i hårdmetallen men har de senaste åren funnits vara cancerframkallande vid inandning.
– Det är en stor utmaning att ersätta kobolten i våra produkter, för alternativen är både sämre och mer komplicerade att producera, säger Erik Holmström.

Kvantmekaniska beräkningar
Tillsammans har dock forskarna antagit utmaningen med hjälp av kvantmekaniska beräkningar där fokus har varit att först ägna mycket energi på att förstå varför kobolten är ett så bra bindemedel för hårdmetall.
– Vi beräknade en stor mängd egenskaper hos kobolt och jämförde dem med samma egenskaper hos andra metaller och sedan filtrerade vi ut dem som var unika för just kobolt, förklarar Raquel Lizárraga.
Forskarlaget kom fram till att kobolt har en unik typ av energiförhållande mellan instabila och stabila kristallstrukturer som styr hur kobolt härdar under deformation. Beräkningar av nya legeringar med liknande energiförhållanden har resulterat i alternativ hårdmetall med en s.k. högentropilegering som bindefas.
– Det är en legering med ett flertal komponenter som forskare aldrig skulle ha kunnat gissa sig fram till utan avancerade kvantmekaniska beräkningar, säger Levente Vitos.
Forskarna designar alltså redan hårdmetall på den kvantmekaniska nivån, men på KTH har man siktet inställt på större mål.
– Vi har startat ett internationellt nätverk, QMFORMa, som består av expertgrupper på kvantmekaniska beräkningar, alla med olika industrinära specialinriktningar, säger Raquel Lizárraga (qm-forma.com). Projektet stödjs av europeiska företag genom European Institute for Innovation and Technology (EIT) och fungerar som en portal för företag som är intresserade av att ta del av kvantmekanisk materialutveckling.

KTH – Institutionen för Materialvetenskap
Institutionen för Materialvetenskap ansvarar för forskning och undervisning inom allt från konstruktionsmaterial till avancerade material som aluminiumlegeringar, rostfritt stål, verktygsstål, högtemperaturmaterial, zirkoniumlegeringar, kompositmaterial, högtemperatursupraledare, magnetostriktiva material, högentropilegeringar och minnesmetaller. Institutionen är medlem i Scientific Group Thermodata Europe (SGTE).
E-post: levente@kth.se, raqli@kth.se, erik.holmstrom@sandvik.com
www.met.kth.se