Hvad sker der i væsker, når de bliver seje? / Kristine Niss, eksperimentalfysiker

Hvorfor flyder kaffe hurtigt, mens honning flyder langsomt? Eksperimentalfysiker Kristine Niss forsker i væskers flydeevne, og hvad der styrer, hvornår en væske størkner uden at krystallisere. Hun arbejder især med væsker under deres smeltepunkt – for eksempel vand, som skal fryse ved 0 grader, men faktisk godt kan køles længere ned og stadig være vand – som isslag, hvor vandet, der lander, er under frysepunktet, men ikke er krystalliseret, før det rammer. 

Kristine Niss – der er professor i eksperimental fysik på Institut for Naturvidenskab og Miljø på Roskilde Universitet – forklarer også, hvordan den frie energi styrer, at noget krystalliserer. Hun siger selv, at det er bøvlet at forstå, men forklarer, at potentialet er enormt især i forhold til ioner, der er molekyler, der har så store ladninger, at man kan få dem til ikke at krystallisere, så man kan have dem på væskeform. De fordamper ikke, de eksploderer ikke og kan ikke brænde.

m forskellen på en halvhård karamel og størknende lava

Hvad driver dig som forsker?

Det, der gør, at jeg bliver ved at synes, at væsker er spændende, er, at det på den ene side er en ekstremt stoflig hverdagsting. Alle har erfaringer med væsker. Alle ved, at nogle væsker flyder langsomt: Honning eller asfalt. Andre væsker flyder let. Alle har erfaring med glas. Så det er meget stofligt og nærmest sanseligt. Der er også en masse åbne spørgsmål, som har ingeniørmæssig betydning for, hvordan vi kan arbejde med materialer og væsker. Men der er faktisk også mange åbne, grundvidenskabelige spørgsmål. Ting, vi ikke forstår, selv om det handler om noget hverdagsagtigt, som vi bare kan tage fat i.

Man kalder dit forskningsfelt ’faststoffysik’. Faste stoffer er mere enkle at beskrive, ligesom gasser. Men lige præcis væsker er enormt komplekse. Er det et nyt eller gammelt forskningsfelt?

Det er rigtigt, at vi i lærebøger har en vane med at beskrive det, vi allerede har forstået. Og det kan give en fornemmelse af, at vi har styr på det hele i fysikken. Men det har vi ikke. Der er rigtig meget, vi ikke har styr på. Væskerne er svære at forstå, fordi molekylerne og atomerne sidder tæt på hinanden, de bevæger sig, og de sidder uordnet. Hvorimod i gasserne er de langt fra hinanden, og i de faste, krystallinske stoffer – for eksempel is og sukker – sidder de meget ordnet. Men man har forsøgt at forstå væsker i rigtig lang tid, siden man lavede faststoffysik og termodynamik i det hele taget.

Står du på skuldrene af nogen og arbejder i en direkte linje af det, som de begyndte med?

Den første, jeg tænker på, er Peter Debye, som var en hollandsk fysiker fra slutningen af 1800-tallet og starten af 1900-tallet. Han har lavet nogle af de modeller, vi stadig arbejder med i dag, for at forstå, hvordan molekyler bevæger sig i væsker. Jeg arbejder for tiden meget med, hvad sammenhængen er mellem væsker og glasser, og en af de vigtigste modeller, vi bruger, er cirka 50 år gammel og blev udviklet af en ingeniør, der hedder Narayanaswamy, som stadig lever. Han arbejdede for Ford Motors og skulle lave vinduer til biler.

Uforudsigelige væsker

Hvis man skal have et stof til at forandre sig, handler det ret ofte om temperatur. Du har engang sagt, at da du var helt lille, undrede du dig over, at alt blev flydende, når man varmede det op, undtagen æg. Har du fået svar på det?

Det har jeg, men det ligger uden for mit forskningsområde. Det er jo en irreversibel proces, når et æg størkner. Der er ikke nogen vej tilbage, så det kan ikke smeltes igen. Det, der foregår i et æg, er ikke fysik, men kemi. Der sker nogle ændringer i de proteiner, som ægget er lavet af. Du skal spørge en molekylærbiolog, hvis du vil forstå det bedre. Men det er ikke en faseovergang.

Så i dine faseovergange kan man altid gå tilbage igen?

Ja, de er altid reversible, men de kan nogle gange være lidt uforudsigelige. Jeg arbejder meget med væsker under deres smeltepunkt. Når du tager vand, skal det fryse ved 0 grader, men man kan faktisk godt køle det længere ned, hvor det bliver ved at være vand, selv om det egentlig gerne ville være is. Så vi har snydt det til at være en væske.

Hvordan det? Jeg kan huske, at vi tilføjede salt i fysik. Det er jo snyd.

Det er snyd at tilføje salt, for så flytter du smeltepunktet, og det er noget andet end at underafkøle. Men hvis du har relativt rent vand i et reagensglas og stikker det ned i en køleblanding, kan du godt få det ned på minus ti grader, uden at det krystalliserer. Man kender det fra isslag, som bliver til is, lige dér hvor det lander. Det er, fordi det vand, der lander, faktisk var under frysepunktet – men det havde bare ikke lige husket at krystallisere, før det ramte.

Hvorfor er det vigtigt?

For at kunne lave glas skal du kunne lave en underafkølet væske. Til almindeligt glas har man taget sand og smeltet det. Sand er krystallinsk, et fast stof, som du har lært om i skolen. Så smelter du det og afkøler det igen, og så krystalliserer det ikke, fordi det er blevet for langsomt. For at krystallisere skal atomerne flytte sig hen i et mønster. Men i mellemtiden er de blevet for langsomtflydende, så på et tidspunkt går de bare i stå. Man kan sige, at glasset er et stillbillede af væsken. Krystallen er en helt anden form, hvor molekylerne har lagt sig på en helt anden måde. Men glas er et stillbillede. Det kan også være bolsjer, som minder meget om glas. Man har sukker, som er krystallinsk. Man smelter det, afkøler det igen, og så får man bolsjet, som er en glasform, en stivnet væske.I stedet for kandis, som har krystalform.

Ion-væskers potentiale

Når du skal finde forskningsdata, står du så i laboratoriet og laver eksperimenter, eller laver du computermodeller og sender andre ned i laboratoriet? Eller læser du litteratur fra andre?

Mine ph.d.-studerende ville nok sige, at de laver eksperimenterne. Jeg designer eksperimenterne sammen med dem og har også gået rigtig meget i laboratoriet tidligere. Jeg gør det stadig lidt. Vi laver både eksperimenter på Roskilde Universitet og tager af sted til store, internationale faciliteter, hvor de har ting til rådighed, som man ikke har på et enkelt universitet.

Hvad kigger du på i øjeblikket?

Jeg arbejder typisk med organiske væsker. Det kunne godt være bolsjemasse, men det kunne også være olier. Vi prøver at kigge på meget simple væsker, som kun består af én slags molekyle. Og så skal det være væsker, der ikke krystalliserer alt for nemt. Så vi vælger dem faktisk ud fra praktiske hensyn nogle gange. En af de ting, jeg kigger på nu, er ion-væsker, som er salt på væskeform. Ionerne er molekyler, der har ladning. De er så store, at man kan få dem til ikke at krystallisere, så man kan have dem på væskeform.

Grunden til, at det er blevet et stort forskningsfelt, er, at der er mange potentielle anvendelsesmuligheder for de væsker, fordi de har andre egenskaber end andre væsker. Først og fremmest fordamper de ikke, derfor eksploderer de ikke, og derfor går der ikke ild i dem. For eksempel i batterier, hvor man skal have væske, ville de være smarte. Min interesse handler om, at vi har en væske, hvor der pludselig er en masse ladning i. Det vil sige, at der er andre fysiske interaktioner mellem molekylerne. Betyder det noget for, hvordan væsken opfører sig som væske? Og hvordan danner den glas? Det korte svar ser ud til at være, at det ikke betyder ret meget.

Alt kan laves til glas

Kan man få alle væsker til at danne glas?

Det kommer an på, hvor dygtig man er.Man kan godt lave glas af vand. Faktisk er rigtig meget af vandet ude i universet i det, vi ville kalde glasform.Men det er ikke så nemt at lave vandglas. Når du skal lave glas, køler du det bare, så det bliver sejere og sejere, og så kan man puste en kuppel og andre seje ting. Det krystalliserer ikke pludselig. Men nogle væsker, for eksempel vand, har noget, vi kalder et ’no-man’s land’. Det vil sige, at der er et område i temperatur – og nogle gange også i tryk – hvor det simpelthen ikke kan eksistere som væske. Hvis man skal have det til at blive glas, skal man have det forbi det sted. Så skal man køle det ekstremt hurtigt eller lave nogle andre smutveje, hvor man trykker rigtig meget på det. Jeg tror ikke, man kan lave brint og helium til glas, og der er også andre undtagelser. Nogle metaller er rigtig svære i ren form at få til at blive glas, men hvis man blander metaller og laver komplekse legeringer, kan man lave glas af metal. Groft sagt kan alt laves til glas.

Ion-væskerne – væsker med en ladning – må reagere, hvis man kører en magnet henover. Kan man få strøm til at løbe igennem?

Jeg ved ikke, om de er magnetiske, men hvis du ændrer et magnetfelt så hurtigt, at der kommer et elektrisk felt, så vil de reagere på det. De kan godt lede en strøm. Men når du skal lede en strøm, rammer du på et tidspunkt en elektrode, og det, der leder strømmen, skal jo kunne komme ind i elektroden. Og det kan ion-væsken ikke. Hvis du sætter den mellem to elektroder og får den til at lede en strøm, så vil den på et tidspunkt bare have lagt sig op mod hver elektrode. De har en ledningsevne, men de kan ikke bare hoppe ind i en elektrode. Vi er ovre i elektrokemi, når vi spørger, om de kan tage imod en elektron eller ej. Hvis du bare har væsken, så kan de lede. Men hvordan får man strøm igennem dem? Når de skal bruges i batterier, er tanken, at der også skal lithium-ioner i.

Du og dine ph.d.-studerende står i laboratoriet og laver en væske ud af olie, og så tager I til en større forskningsfacilitet, hvor I måler på den.

Ja, vi tager væskerne med. Nogle gange sender vi dem. Og så undersøger vi, hvordan de opfører sig som en funktion af tryk og temperatur.Jeg kigger primært på ligevægt og små fluktuationer. Hvis vi taler om neutronspredning, kan vi måle, hvordan de bevæger sig på relativt korte skalaer af tid og sted. Så ændrer vi temperaturen, køler dem ned og ændrer trykket. Jeg kigger rigtig meget på tryk og temperatur for at se, om det bliver langsommere, når man trykker eller køler det ned. Men det er to forskellige effekter, så hvordan spejler de to effekter hinanden?

Cola og kaffe

Jeg kan godt forstå, at det er fascinerende. Men hvad bruger vi det til?

Vi bruger det til mange ting. Næsten al plastik er i den amorfe form. I virkeligheden handler det om at forstå, hvordan molekyler bevæger sig. Det overordnede felt er: Hvad er dynamik?

Egentlig er du vel ret ligeglad med den enkelte væske? Du vil bare gerne forstå, at i en væske med de og de egenskaber gør molekylerne sådan her, når man udsætter dem for tryk og temperatur.

Vi ved, at når noget krystalliserer, er det styret af den frie energi. Det kan være lidt bøvlet i en konkret situation at regne ud, hvad den frie energi er, men vi ved, hvilke størrelser vi skal have fat i. Når det handler om, hvorvidt en væske flyder langsomt eller hurtigt – og hvornår den bliver til glas – så ved vi det ikke. Det helt grundvidenskabelige spørgsmål er: Hvad styrer flydeevnen af en væske, og hvad styrer, hvornår den går ind i glasfasen? Det er lige meget, om jeg måler på cola eller kaffe – hvis jeg finder en generel teori, skal den også virke på colaen. Det er det helt abstrakte spørgsmål. Den anden ting er, at når den er blevet til glas, hvor meget ligner den så væsken? Og hvor meget ændrer den sig stadig over tid? Det spørgsmål har rigtig stor betydning i produktion af plastik og glasvarer, og det vil de industriområder rigtig gerne vide.

Prøver du at lave en teori for, hvorfor det helt generelt gør sådan?

Hvis du har en helt generel teori for, hvordan væsker bevæger sig, vil det kunne bruges alle steder. Teorien eksisterer ikke, for så ville man jo kunne forudsige, hvordan en helt ukendt væske ville opføre sig. Der er masser af teorier derude, og du kan sikkert finde en forsker, der mener, at han har svaret. Men hvor generel en teori kan vi lave? Hvor vigtigt er det, om der er ioner eller ej? Hvor vigtigt er det, om den er aflang eller rund? Jeg drømmer om at finde noget ligesom idealgasligningen. Det er en model, der antager, at atomerne i en gas ikke interagerer, og som giver en sammenhæng mellem temperatur, volumen og tryk, som er overraskende god. Sådan noget mangler vi for væsker.

Drømmen om idealgasligningen

Idealgasligningen virker på stort set alle gasser, undtagen ud i det helt ekstreme, når de bliver meget særlige. I astrofysik er tingene så langt væk, at vi nogle gange mangler datapunkter, og så har vi ikke nok viden. Derfor opererer vi nogle gange med det, man kunne kalde flere sandheder. Nogle mener, at forskellige ting gælder. Og ud fra data må man mene, at begge dele godt kan være sande. Så forskningen går ud på, om man kan modbevise en af dem, så den anden har mere potentiale. Men fordi du kan gå i laboratoriet, må du have det enormt nemt, for du kan designe dit eksperiment, så du får mange flere datapunkter. Men i praksis er du jo også begrænset af den virkelige verden, så det kan I nok ikke.

Vi er begrænset af, at alle molekyler har en eller anden særhed. Hver gang nogen laver en generel model og finder noget, der ikke passer i den model, så siger de ’Jamen, det er fordi det dér molekyle gør noget særligt.’ Vi leder efter en meget generel model, og den kan selvfølgelig ikke indfange alle detaljer. Kemikere elsker detaljer og går op i dem. Der er utrolig meget data, og man kan måle, hvad man vil, men meget af dataen er ikke skarpe peaks. Det er bløde kurver. ’Er der en skulder der, eller er der ikke en skulder? Hvor mange anden-afledte skal vi tage for at synes, at der er en skulder i den måling?’

Man prøver også at lave matematiske modeller, men der kan være mange modeller, der passer til de data. For selv om vi kan måle dem, er væsker ikke særlig hjælpsomme med at fortælle, hvad de er for nogen.

Hvordan kan det være, at det er så forskelligt fra gasser til væsker?

Det handler om afstanden mellem molekylerne. Hvis du tager en molekyle i en gas, kunne den stort set lige så godt være alene i verden. Mens hvis du tager en molekyle i en væske, er den indpakket i alle mulige andre molekyler. Den kan ikke dreje sig, det ændrer dens elektriske egenskaber, det har indflydelse på alt. Hvis de sidder i en krystal, vil de alle sammen pege samme vej. Så selv om der er rigtig mange af dem, er de på en måde alle sammen ens. Fordi de sidder i de samme omgivelser, i et pænt mønster. Jeg har valgt området, fordi der er noget at lave.

Spørgsmål til molekyler

Hvis de ligger alene i verden, er de forholdsvis nemme at beskrive. Kigger I i mikroskop?

Molekyler er typisk for små til, at man kan se dem i mikroskop, så man bruger det, der hedder ’spredningsteknikker’, hvor man enten bruger røntgenstråling eller neutronstråling. Neutroner er jo partikler, der normalt bor inde i en kerne af et atom, men dem kan man få ud og lave til en stråle. Så rammer man materialet med røntgen, som er en slags lys – eller neutroner, som er en slags partikler – og så kommer de ud og danner et billede på den anden side. Det billede bruger vi til at finde ud af, hvordan molekyler og atomer ser ud. Alt, hvad du nogensinde har lært i skolen om, hvordan salt eller vand ser ud, hvordan det ligger, har aldrig været et billede. Det har altid været en tegning, og de tegninger er altid lavet på baggrund af sådan nogle målinger.

I virkeligheden er det ligesom Platons skyggebillede. Man ser en silhuet af en person, ikke et billede af personen. De fleste husker fysik som noget konstant. Man skulle beskrive fart og tyngdekraft. Men et stort element handler om, at verden unddrager sig vores evne til at forstå den, beskrive den, bare se den. Hvis krystaller ligger ordnet, hvorfor har I så valgt væsker?

Fordi alle spørgsmålene ligger der. Nej, der er også spørgsmål til krystaller. Men med væske er der nogle helt grundlæggende spørgsmål. Flyder de, eller flyder de ikke? Og krystalliserer de eller ej? En af mine ph.d.-studerende havde fire væsker, hvor molekylerne var næsten ens. De havde en kæde af karbon og hydrogen. Den første havde en kæde på fire, den næste havde en kæde på fem, den næste på seks og den sidste på otte. Dem på fire og seks og otte kunne hun underafkøle og lave til glasser, men den på fem kunne hun ikke. Og vi aner ikke hvorfor. Ingen ved det. En kollega i Polen kunne heller ikke få den med fem til at danne glas.

Vi ved godt, at væskerne er styret af enten Newtons lov eller Schrödingerligningen. Der er noget grundlæggende fysik, vi forstår. Men når vi skal aggregere det op en lille smule i det, vi kunne kalde komplekse systemer, er der meget, vi ikke ved.

Okkult krystallisering

Du og dine ph.d.-studerende kan enten tage de tre, som I forstår, og arbejde videre med dem, og så kan I ignorere den med fem. Eller I kan tage den med fem og sige, at den er spændende. Hvad vælger I?

Om de kan krystallisere eller ej er så okkult. Tingene er ikke engang reproducérbare. Den ene dag krystalliserer den, den anden dag gør den ikke. Det er helt håbløst at arbejde med, men nogen arbejder med ’cold crystallization’, altså om det krystalliserer under smeltepunktet, eller om det bare bliver ved at flyde og bliver til glas.

Om noget krystalliserer eller ej har et element, der er stokastisk, altså tilfældigt. Der er altid små fluktuationer i væsken, selv ved 0 grader – på grund af kvantemekanik. Molekyler bevæger sig altid lidt, og af den grund kan den krystallisere den ene dag, og den anden dag gør den ikke.

Vi prøver nogle gange at gå efter væsker, som vi ved ikke krystalliserer. Men det giver en bias, for pludselig har vi kun studeret væskedynamikken ved glasovergang i en klasse af væsker. Det er et dilemma.

Hvad er den helt store drøm for dig?

Jeg er jo eksperimentalfysiker og ville gerne være med til at få etableret en slags idealgasmodel. At væsker og deres dynamik og måske også glasovergange var noget, man lærte om i gymnasiet. Min drøm er at lave noget viden, der er så basal, at alle bare skal interessere sig for det, og at det kommer i lærebøger.

Hvor langt er du fra?

Pensionsalderen i Danmark er jo høj, så jeg har tid.

Denne tekst er baseret på podcasten ’Videnskab fra vilde hjerner’, hvor Anja C. Andersen, professor i offentlighedens forståelse for naturvidenskaberne og teknologi ved Københavns Universitet, og journalist Mikkel Frey Damgaard taler med Kristine Niss, professor i fysik på Institut for Naturvidenskab og Miljø på Roskilde Universitet.

Programmet er blevet til i anledning af Videnskabsår 2022.

Find hele podcast-rækken VIDENSKAB FRA VILDE HJERNER der, hvor du normalt hører podcasts.

Del denne side

Seneste nyheder

Luk