Utrolig dansk opdagelse: Kæmpe elektrisk felt opstår spontant i lattergas

Det var langt fra ventet, at fysikeksperimentet ville føre til en stor videnskabelig opdagelse.

Det var en almindelig arbejdsdag på et laboratorium i kælderen under Aarhus Universitet, og to unge fysikere var i færd med at undersøge, hvordan elektroner passerer gennem lattergas.

Forskerne havde frosset lattergassen helt ned til minus 233 grader, og gassens molekyler havde lagt sig som en meget tynd film oven på en metaloverflade. Der burde ikke være noget særligt elektrisk over den iskolde lattergas, men de unge forskeres målinger viste noget andet - noget helt andet.

»De kom op og bankede på min dør og sagde, 'David, der er noget galt'. Vi tænkte først, at der måtte være sket en fejl i eksperimentet, for det burde slet ikke kunne lade sig gøre, at vi så en strøm gå igennem i eksperimentet. Der var ingen spænding på,« husker David Field, som er professor ved Institut for Fysik og Atronomi ved Aarhus Universitet.

Over de næste dage blev forskerne imidlertid ved med at se et kæmpestort elektrisk felt over de tynde film af lattergas, og det stod snart klart, at de havde opdaget et helt nyt elektrisk fænomen.

Utroligt: Ingen havde opdaget det før

»Det er første gang siden 1920'erne, at man har opdaget en ny elektrisk form af faste stoffer. Det utrolige er, at man har arbejdet med tynde lag af materialer – også lattergas-film – i mere end et halvt århundrede, og alligevel har ingen opdaget dette her kraftfulde elektriske fænomen,« fortæller David Field, som har døbt fænomenet 'spontelectrics'.

Siden den første opdagelse af 'spontelectrics' i 2009, har forskerne fundet ud af, at elektricitetsformen langt fra kun opstår i lattergassen.

David Field og hans kollegaer har nu undersøgt flere end 12 forskellige materialer og konstateret, at det store elektriske felt opstår spontant i almindelige materialer såsom kulilte, propan, toluen og metylformat – når materialerne vel at mærke bliver frosset ned til isnende kolde temperaturer og optræder i mikroskopisk tynde lag.

Forsker: En vigtig opdagelse

»I starten var der ret stor skepsis, når vi fortalte om vores opdagelse på videnskabelige konferencer – som forsker er man nok altid lidt skeptisk over for helt grundlæggende nye opdagelser. Men nu er vores opdagelse efterhånden blevet accepteret, og forskere rundt omkring i verden begynder selv at forske i det,« fortæller David Field.

En af de forskere, som selv har kastet sig over at udforske 'spontelectrics', er Martin McCoustra fra det skotske Heriot-Watt University.

»Spontelectrics er en meget vigtig opdagelse. Jeg tror, at der vil komme en masse spændende, nye teorier ud af, at vi vil forsøge at forklare fænomenet i de kommende år,« siger Martin MCCoustra, som er leder af afdelingen for kemisk fysik ved Heriot-Watt University.

Enorm styrke på elektrisk felt

Det elektriske felt, som opstår i de tynde film af lattergas og andre materialer, kan ifølge David Field være mere end 100 millioner volt per meter – altså en enorm styrke.

Men hvorfor i alverden opstår dette kraftfulde elektriske fænomen?

Det spørgsmål har David Field og hans kollegaer forsøgt at finde svar på, siden de første gang opdagede 'spontelectrics' i kælderlaboratoriet i Aarhus.

Deres forklaring af fænomenet kræver, at vi zoomer helt ind på de tynde film af lattergas og andre materialer, som fænomenet 'spontelectrics' opstår i.

Molekylerne er dipolære

Molekylerne, som eksempelvis lattergas består af, er nemlig dipolære – det vil sige, at den ene ende af et lattergas-molekyle har en lidt mere negativ elektrisk ladning end den anden ende af molekylet.

Det dipolære er langt fra et usædvanligt træk ved et molekyle: Et vandmolekyle - der som bekendt består af ilt og brint - er eksempelvis også dipolært, sådan at 'ilt-enden' af molekylet har en negativ ladning i forhold til 'brint-enderne'.

Når spontelectrics opstår, har forskerne observeret, at der sker noget usædvanligt med de dipolære molekyler:

Hvis eksperimentet for eksempel foregår i tynde lag af lattergas, vil næsten alle lattergas-molekylerne i det øverste lag arrangere sig sådan, at den positive ende af molekylerne stikker ud fra overfladen.

»Når den positive ende af alle molekylerne stikker ud fra overfladen, fremstår det som om, overfladen bliver elektrisk ladet. Det betyder, at der opstår en elektrisk spænding på overfladen af filmen – det kan vi direkte måle. Og det giver altså anledning til et kæmpestort elektrisk felt,« forklarer David Field fra Aarhus Universitet.

'Spontelectrics' går imod intuitionen

Selvom forskerne kan observere og måle, hvad der sker, når 'spontelectrics' opstår, så påpeger skotske Martin McCoustra, at der stadig er lang vej, før man har forstået, hvorfor fænomenet opstår.

»Spontelectrics går imod vores intuition. Det giver ikke rigtig nogen mening, når man tænker på, hvad vi normalt lærer i fysik og kemi. Molekylerne arrangerer sig helt spontant på en måde, som de normalt ikke kan lide – og vi ved fundamentalt set ikke, hvad der får dem til at gøre det,« siger Martin McCoustra.

Han forklarer, at dipolære molekyler kan sammenlignes med almindelige magneter.

Magneterne har som bekendt en nord- og en sydpol, og hvis du har leget med magneterne på et køleskab, har du med garanti bemærket, at to magneters nordpoler frastøder hinanden – ligesom to sydpoler også frastøder hinanden.

Derfor er magneterne mest stabile, når de er placeret med hinandens nordpoler ind mod sydpolerne.

Molekylerne opfører sig sært

På samme måde vil to dipolære molekyler normalt også forsøge at placere sig sådan, at det ene molekyle har sin 'nordpol' vendt mod det andet molekyles 'sydpol'.

Men i forsøg, hvor spontelectrics opstår, gør molekylerne i stedet lige det modsatte, forklarer Martin McCoustra.

»Energimæssigt er det ikke en rar måde for dipolære molekyler at arrangere sig på. Under normale omstændigheder ville molekylerne arrangere sig sådan, at de stod med den positive ende mod den negative ende – de foretrækker at være i en stabil position med lavest mulig energi.«

»Men i stedet ser vi, at de pludselig arrangerer sig selv i positioner med høj energi,« forklarer Martin McCoustra.

Kræver mange lag molekyler

På Aarhus Universitet understreger David Field, at fænomenet spontelectrics først opstår, når mange tynde lag af molekyler lægges oven på hinanden.

»I nogle tilfælde skal der ret mange lag til, før den spontelektriske effekt opstår. Når man laver forsøg med materialet toluen ved 75 Kelvin (minus 198 graders Celsius, red.) skal der for eksempel mere end hundrede lag til, før vi ser effekten,« forklarer David Field.

Han mener netop, at fænomenet 'spontelectrics' opstår på grund af et særligt samspil mellem de mange molekyler.

»Spontelektrics kan ikke forstås alene ved at se på samspillet mellem to molekyler, der interagerer med hinanden. Det kræver en beskrivelse af samspillet mellem rigtig mange molekyler. På den måde adskiller 'spontelectrics' sig fra ferroelektricitet,« siger David Field.

Ferroelektricitet er et andet elektrisk fænomen, der kan minde om 'spontelectrics', fordi det også opstår spontant i visse materialer.

Ferroelektricitet blev opdaget i 1920'erne, og indtil Aarhus-forskerne bragte spontelectrics på banen i 2009, var ferroelektricitet det seneste skud på stammen af 'nyopdagede' elektriske fænomener i faste stoffer.

Hvad kan vi bruge det til?

Men hvad kan vi så bruge opdagelsen af 'spontelectrics' til?

Lige nu er opdagelsen af fænomenet ren grundvidenskab, som bidrager til vores forståelse af, hvordan faste stoffer opfører sig, fortæller David Field.

Han er selv særligt interesseret i at finde ud af, om fænomenet spiller en rolle, når nye stjerner bliver født.

Stjerner bliver nemlig skabt i store skyer gas og støv, og i midten af skyerne er der så iskoldt, at 'spontelectrics' potentielt set kan opstå og ændre de kemiske reaktioner inde i støvskyen, forklarer David Field.

»Spontelectrics kan vise sig at få en kæmpestor indflydelse på vores forståelse af, hvordan stjerner bliver skabt. Men det kræver en detaljeret modellering af processen, og det vil vi snart begynde på,« siger David Field.

Hvad kan man ellers bruge spontelectrics til? Vil man i fremtiden kunne bruge det til at skabe elektricitet?

»Nej, det er nok ikke praktisk at bruge det til at generere elektricitet – det kræver jo meget lave temperaturer, før fænomenet opstår. Man kan måske håbe på, at vi finder frem til materialer, hvor spontelectrics opstår ved stuetemperatur. Så ville vi virkelig kunne bruge det til noget. Men som det er nu, er fænomenet mest interessant teoretisk set,« siger David Field.

Samme melding kommer fra skotske Martin McCoustra.

»Hvad man kan bruge det til? Det ved jeg ikke, hvis jeg skal være helt ærlig. Men det kunne man sikkert have sagt om mange andre vigtige videnskabelige opdagelser, da de blev gjort. Det tager ofte lang tid, før man finder ud af, hvad opdagelsen kan bruges til,« siger Martin McCoustra.

Opdagelsen af fænomenet spontelectrics blev gjort ved partikelacceleratoren ASTRID, som står i kælderen på Aarhus Universitet.