Det lille filteret blir til på Nanolab-en til Sintef, og skal kunne måle konsentrasjoner og sammensetninger av ulike blandinger av gasser, væsker eller faste stoffer.

Tomra – som er mest kjent for sine flaskeautomater – skal bruke filteret i nye systemer for resirkulering. Flere plasttyper skal måles mer nøyaktig for å unngå feil sortering.

Bedriften Nyborg – som leverer ventilasjonsanlegg til offshore- og marinemarkedet – skal bruke filteret i gass-sensorer på store bilfrakteskip. I stedet for at ventilasjonsvifter kjøres jevnlig for å fjerne gasser, skal utslipp på bildekket måles, og viftene kjøres etter behov. Dermed senkes drivstofforbruket og utslippet av klimagasser reduseres.

Prediktor – som produserer spektrometre, måleinstrumenter for elektromagnetisk stråling – vil bruke filteret i systemer for en mer effektiv ressursutnyttelse i fôr- og næringsmiddelindustrien.

Demonstrert prinsippet

Forskere ved Sintef IKT har allerede fått demonstrert prinsippet i et forprosjekt sammen med Nofima.

Her laget de en metode for å måle vanninnhold i kjøtt og fett.

– Dette var et prosjekt som henvendte seg til mat- og fôrnæringen og behovet deres for å optimalisere råmaterialebruken, øke lønnsomheten og redusere avfall. I prosjektet har vi laget filtre som kan demonstrere prinsippet, forteller Thor Bakke på Sintef.

Nå tar forskerne konseptet videre i prosjektet MicroTunis.

Nanoteknologi

Spektrometre er i dag relativt dyre, men forskere ved Sintef har de siste ti årene utviklet kompakte, meget rimelige og robuste alternativer til tradisjonelle instrumenter.

Nå skal forskerne montere det nye filteret sammen med detektor og styringselektronikk til kompakte system som partnerbedriftene kan bruke.

– Det nye konseptet vårt bygger på bittesmå filtre som vi lager ved hjelp av skivebasert silisium og mikromaskineringsteknologi, forteller Bakke.

–Vi har investert i verdens første anlegg som kan deponere nanomaterialer på hele skiver. Et viktig materiale, lantan-nikkel-oksid, skal utprøves for første gang, og vi vil deponere materialene ved hjelp av laser. Dette skal gi oss bedre materialegenskaper, sier Bakke.

For mange år siden var jeg lydtekniker i NRK. Det hendte at jeg satt og kjedet meg og ventet på neste oppdrag. Da lekte jeg meg med spakene i kontrollrommet.

En morsom lek var å lage hyl. Kontrollrommet var utstyrt med en regimikrofon. Den brukte jeg for å snakke til Vidar Lønn-Arnesen, Åshild Ulstrup eller hvem det nå var som satt bak glassveggen i studio.

Mellom stillhet og brøl

Lyden fra regimikrofonen ble sendt til høyttalerne i studio. Hvis jeg samtidig lyttet på mikrofonene i studio slik at lyden gikk tilbake inn i regimikrofonen, begynte runddansen av lyd – hylet.

Det skjedde ganske brått ved et bestemt volum. Fortsatte jeg å skru opp volumet, ble hylet til et massivt brøl fra høyttalerne. Det gjorde vondt både i ørene og elektronikken.

Verken stillheten eller brølet var spesielt spennende. Stillheten var ingenting, tomhetens perfekte orden. Brølet var et rent og velordnet spekter av toner og overtoner, også i ganske perfekt orden.

Det spennende skjedde når jeg forsiktig red med lydspaken over eggen mellom stillhet og brøl, der orden lekte med kaos, beregnelighet med uberegnelighet. Her åpnet det seg et landskap av lyder.

 

Syngende trikkeskinner

Landskapet reflekterte elektronenes runddans mellom mikrofoner, forsterkere og høyttalere.

Jeg hadde laget en finstemt svingekrets. Svingekretsen levde sitt eget liv i den tynne biosfæren mellom stillhetens kulde og hylets hete.

Jeg kunne sitte i minutter og lytte til hvordan klangene utviklet seg,  en evolusjon i et urhav av lyder.

Noen ganger lød det som kor av barnestemmer, andre ganger som syngende trikkeskinner eller symbaler.

Slik kunne jeg sitte hensunket i lydhavet, helt til en stresset sportsjournalist kom brasende inn og skulle ha klippet vekk de siste femten sekundene av et intervju med en fotballspiller.

Kunstig intelligens

Runddansen i kontrollrommet er bare ett eksempel på tilbakekoblingssløyfer som lever sitt eget liv. Et annet spennende eksempel får du ved å rette et videokamera mot en TV-skjerm som viser hva kameraet ser.

Da fylles skjermen av pulserende geometriske former, som mikroliv i en petriskål. Den amerikanske forskeren Douglas Hofstadter har skrevet en bok om sine eksperimenter med slike videosløyfer.

Det er ikke tilfeldig at Hofstadter er opptatt av dette. Han forsker på kunstig intelligens. Hva har intelligens med runddansende tilbakekoblingssløyfer å gjøre?

Fra tretoppen til månen

Ett svar kan vi få ved å se på oss selv. Hvordan har vår menneskelige intelligens utviklet seg?

Mennesket er ikke det eneste intelligente dyret. Kråkefugler kan både huske fortida og planlegge framtida.

En kråke kan bøye til en krok av en metallkrok for å heise opp en bøtte med mat. Kråka utvikler altså teknologi og løser problemet kreativt, viser forsøk.

• Les også: Den fjærkledde ape

Både kråker og mennesker er sosiale dyr. Samarbeid har trolig stimulert utvikling av intelligens.

Men hvorfor har da mennesker har klart å fly til månen, mens kråka fortsatt bare klarer å fly opp i nærmeste tretopp?

Ett mulig svar er at vi har noe som kråka ikke har: Hender.

Fra hånd til ånd til hånd

Ånd og hånd lager en tilbakekoblingssløyfe der intelligensen lever sitt eget liv, i en kompleks runddans.

I 1998 utga den amerikanske legen Frank. R. Wilson boka The Hand. Her argumenterer han for at evnen til å klatre, og seinere lage verktøy med hendene, krevde kraftig utvikling av hjernen.

Den større hjernen gjorde oss i stand til å lage enda mer avanserte og kraftige verktøy. Verktøyene stimulerte tankene videre, og gjorde oss i stand til å lage mer avanserte verktøy.

Og slik gikk runddansen fra de første steinredskaper for over to millioner år siden til datamaskiner og romskip.

Kroppen danser

Denne runddansen kan vi assosiere fritt og tankevekkende til den akkustiske runddansen i radiostudioet.

Mikrofonen er som sansene våre. Forsterkeren er hjernen. Høyttaleren er hånden. Og så danser intelligensen rundt og rundt.

Intelligensen kan i så fall ikke isoleres til hjernen. Resten av kroppen er like viktig for dansemoroa. Men ikke bare kroppen.

Utenfor kroppen

Jeg har nemlig ikke fortalt hele historien om runddansen i radiostudio. Svingekretsen besto ikke bare av elektriske strømmer i mikrofoner, forsterkere og høyttalere.

Lydbølgene danset også fra høyttaleren og ut mellom vegger og gulv og tak, møbler, vinduer og gardiner i radiostudio og kontrollrom, og tilbake inn i mikrofonen.

Denne akkustiske runddansen var utenfor det elektroniske nervesystemet i radiostudioet. Likevel bidro den avgjørende til å gi runddansen et spennende liv.

I hvor stor grad er omgivelsene en del av vår intelligens, og i videre forstand vår livsopplevelse?

 

Jeg er ikke alene

Spørsmålet kan virke truende. Hvor slutter jeg, og hvor begynner resten av verden? Er denne grensen meningsløs? Selvet går i oppløsning. Det kan gi angst.

Men det er ikke nødvendig å oppløse selvet. Runddansen i studio ville fungert, selv om den bare hadde danset rundt som elektriske strømmer inne i elektronikken, ikke som lydbølger i rommet utenfor.

Slike runddanser har laget mye musikalsk vellyd i 1980-tallets analoge synthesizere.

Likevel – både runddansen i radiostudio og den intellektuelle runddansen fra ånd til hånd tilbake til ånd blir mye rikere hvis vi trekker verden omkring inn i runddansen.

Det er også en vakker og beroligende tanke: Jeg er ikke alene. Jeg er trolig en del av noe mye større, et samspill som vider seg ut i en runddans vi ennå verken kan se eller høre eller forstå, men som likevel virker på oss og som vi påvirker. Et større liv.

Skulpturen i steinen

Noen ganger tok jeg opp runddansen i radiostudio på lydbånd. Ett av opptakene ble brukt i et fjernsynsprogram.

I rulletekstene var jeg oppført som musikkansvarlig. Selv om jeg ble smigret den gangen, var det egentlig ufortjent.

Det var mikrofonene og forsterkerne og høyttalerne og akustikken i radiostudio som hadde laget musikken, ikke jeg.

Kunstnere kan oppleve det samme. Michelangelo skal ha sagt at enhver steinblokk har en statue inni seg, og at det er skulptørens oppgave å oppdage den.

Underlig sløyfe

Jeg er ingen Michelangelo. Likevel, på samme måte som Michelangelo oppdaget mange vakre statuer inni marmorblokker, hadde jeg min oppgave i radiostudio.

Hadde ikke jeg startet runddansen, opplevd og verdsatt den, ville ikke lydene blitt annet enn elektroner og trykksvingninger i luft. Den ville ikke blitt musikk.

Jeg forvandlet runddansen i radiostudio fra det som Douglas Hofstadter kaller en vanlig tilbakekoblingssløyfe til det han kaller en underlig sløyfe, strange loop.

 

Runddans av selvreferanse

Slike sløyfer er selvrefererende. De beskriver seg selv. Systemet av lydsløyfen og og det tolkende, opplevende meg utgjør en slik underlig sløyfe.

Andre eksempler på slike sløyfer er molekylet som beskriver seg selv, arvestoffet DNA. Et annet eksempel har Douglas Hofstadter gitt med tittelen på boka si: I Am A Strange Loop. “Jeg” er en underlig sløyfe.

Han tolker selvbevisstheten som en runddans av selvreferanse. Med akustikken i kontrollrommet som mentalt bilde, kunne vi utvide perspektivet videre:

Kanskje må vi også trekke verden omkring inn i den underlige sløyfen hvis vi skal beskrive det selvrefererende systemet vi kaller ”jeg”.

O süßes Lied

Og hvis ”jeg” er runddansen, hvem rir da varsomt på spaken over eggen mellom id og superego, der orden leker med kaos?

Noen linjer fra den tysk-østerriske poeten Rainer Maria Rilke gir spørsmålet dypere klangbunn:

Auf welches Instrument sind wir gespannt?
Und welcher Geiger hat uns in der Hand?
O süßes Lied.

Lenker:

David Papineau: Get a Grip. Are hands the key to the evolution of human intelligence? Anmeldelse av boka The Hand aav Frank R. Wilson, The New York Times, 19. juli 1998

Rainer Maria Rilke: Elf Liebesgedichte

Framtidens databrikker kan sende elektriske signaler til hverandre som beveger seg med 100 prosent effektivitet. Da vil farten øke, mens strømforbruket reduseres.

Forskere fra universiteter i USA, Kina og Tyskland har nemlig regnet seg frem til at elektrisk strøm ledes helt perfekt i kantene av verdens absolutt tynneste tinnfolie, som bare er ett atom tykt. Og det kan faktisk skje ved romtemperatur.

Materialet kalles stanén etter starten av det latinske navnet for tinn – stannum – forsynt med endelsen -én, som vi også kjenner fra grafén, som er karbon i to dimensjoner.

Hvis man tilsetter fluoratomer til gitteret av tinnatomer, blir det enda bedre. Da kan materialet lede elektrisk strøm uten tap ved temperaturer helt opp til 100 grader celsius.

Bare strøm gjennom kantene

– Tinn i to dimensjoner kan komme til å bli det nye supermaterialet, forteller professor Philip Hofmann fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

– Ideen er veldig god og svært viktig. Man kan få den perfekte transporten av strøm i kanten av slike materialer.

Det atomtynne laget av tinn tilhører en klasse av materialer som kalles topologiske isolatorer. Disse forunderlige materialene er isolatorer innvendig, men kan lede elektrisk strøm på overflaten eller i kantene.

I en vanlig elektrisk ledning, for eksempel av kobber, har ikke elektronene fritt fram. De støter hele tiden inn i kobberatomene og mister energi i form av varme. Men i de topologiske isolatorene er det annerledes, og det skyldes en særlig kvantemekanisk effekt som kalles kvante-spinn-Hall-effekten.

Alle elektronene tar samme vei

– I kanten kan elektronene bare bevege seg i én retning, og det gjør de uten å miste energi. Alle elektronene må så å si gjennom den samme kanalen, og de kan ikke støte inn i hverandre, forteller Hofmann.

Det er ikke snakk om superledere, som bare fungerer ved svært lave temperaturer, og hvor strømmen farer fritt gjennom hele materialet. De topologiske isolatorene tillater bare strøm å løpe fritt på overflaten, hvis det er snakk om et 3D-materiale, eller ved kantene, hvis det er et todimensjonalt materiale som det atomtynne tinnlaget.

Aarhus vil også være med

I dag finnes stanén bare i teorien, for forskerne har fortsatt ikke produsert det. De vet altså ikke om teorien holder. Men det gjør den nok, mener Hofmann.

– Det finnes andre lignende materialer, for eksempel dobbeltlag av vismut som også er en todimensjonal topologisk isolator. Og her har folk målt at strømmen faktisk flyter fritt i kantene.

Det er etter hvert oppdaget en del topologiske isolatorer i kjølvannet av oppdagelsen av grafén i 2004, og Philip Hofmann har forsket på dem i årevis. Han er overbevist om at det er flere på vei, og han vil gjerne være med på å oppdage dem, produsere dem og måle egenskapene de har.

– På Aarhus Universitet kunne vi godt tenke oss å gå i gang med en større forskningsinnsats hvor vi kunne syntetisere og undersøke de nye todimensjonale materialene. Det blir en svært viktig forskningsretning. De topologiske isolatorene er framtiden.

Referanse:

Yong Xu m.fl: Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films. Physical Review Letter, 2013. DOI:10.1103/PhysRevLett.111.136804

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.