Ett steg närmare lösningen på råvarukrisen

Kina, som idag i praktiken är världens enda producent av sällsynta jordartsmetaller, har låtit meddela att man kommer att strypa exporten och därmed tillgången av dessa ämnen. Kinas beslut är mycket bekymmersamt enligt Börje Johansson, professor i teoretisk materialvetenskap vid KTH och Uppsala universitet, eftersom det finns ett stort antal olika högteknologiska tillämpningar vars existens avgörs av dessa sällsynta jordartsmetaller.

Nu har emellertid en grupp forskare vid KTH och Uppsala universitet tillsammans med synkrotronljusforskare i Grenoble i Frankrike gjort framsteg som i förlängningen kan betyda att man kommit ett steg närmare en situation där världen inte längre är lika beroende av Kinas export av de sällsynta jordartsmetallerna. Detta genom att studera grundämnet cerium, som bland annat används i bilkatalysatorer för avgasrening.

Börje Johansson, som leder forskningsstudierna, säger att med den vunna förståelsen av ceriums uppträdande kan man nu på ett bättre sätt försöka identifiera andra materialsystem med jämförbara egenskaper som skulle kunna tänkas ersätta cerium i olika komponenter.

Han tillägger att inom en överskådlig framtid är det inte alls otroligt att metaller som platina och guld kommer kunna vara nya element i högteknologiska tillämpningar, även om det kanske inte är just cerium de kommer att ersätta.

Det har sedan länge varit känt att om ceriummetallen utsätts för ett yttre tryck sker plötsligt en volymkollaps med 15 procent, vilket är helt unikt för att vara en fasförändring i en metall. Genom att förstå vad som i detalj händer i ceriummetallen kan man därmed underlätta möjligheterna att finna nya applikationer.

Börje Johansson har tidigare lagt fram en modell för vad denna volymkollaps kan bero på. De så kallade 4f-elektronerna kan under tryck plötsligt bli metalliska och därmed hjälpa till att binda ihop atomerna. Denna extra nya bindning är orsaken till volymkollapsen. Förra året lyckades forskargruppen verifiera denna modell genom att mäta experimentellt hur atomerna vibrerar i den kollapsade cerium-fasen (betecknad a i figuren intill) och därefter jämföra resultaten med teoretiska beräkningar.

Forskargruppen har nu gått vidare och undersökt atomvibrationerna i cerium-metallen under ännu lite högre tryck. Då uppnås nämligen en ny kristallfas, kallad a´, där ceriumatomerna arrangerar sig i en unik struktur som under normala förhållanden endast uppträder i metallen uran bland grundelementen. Det intressanta är att atomernas vibrationer är mycket speciella i denna fas, men att de i detalj kan förklaras med modellen där 4f elektronerna är metalliska. Faktiskt är det också så att även uranmetallen själv uppvisar samma typ av anomala atomvibrationer, vilket ytterligare stöttar bilden med metalliska 4f elektroner i cerium under tryck.

Resultaten har precis presenteras i The Physical Review Letters. Studien har finansierats av bland andra European Research Council (ERC senior grant), Vetenskapsrådet och Wennergrenstiftelsen.

För mer information, kontakta Börje Johansson på Institutionen för materialvetenskap vid KTH, på 070 - 417 54 52.

Peter Larsson