Nye Materialer - Introduktion
Kendskab og udnyttelse af materialer er blandt fundamenterne for stort set al produktionsvirksomhed. Dette gælder ikke mindst hvis også biomolekyler opfattes som et ”materiale.” Der er derfor stor opmærksomhed på behovet for at forstå og kunne designe og syntetisere molekyler og materialer med specielle egenskaber.
Danmark har tradition for avanceret materialeforskning, og en industri som udnytter de mest avancerede materialer i produktionen af produkter fra fødevarer og medicinske nano-systemer til aktive membraner, legoklodser og vindmøllevinger hvis størrelse er på grænsen af deres egen bæreevne. Dansk industri har således stor anvendelse af nye materialer og er ikke mindst afhængig af avancerede analysemetoder til kontrol og optimering af industrielle systemer.
Danske universiteter har tradition for at være førende indenfor sådanne analysemetoder, dette gælder spektroskopiske metoder, mekaniske målinger og strukturelle metoder. Materialernes kemiske karakteristik studeres ved anvendelse af bl.a. elektromagnetiske absorptions metoder dækkende fra infrarød bølgelængde til røntgenmålinger ved stor-skala synkrotron faciliteter såvel som u-elastiske neutron studier. Strukturelle metoder omfatter moderne imaging-metoder baseret på bl.a. elektron- og atomar kraftmikroskopi, ligesom NMR, samt røntgen- og neutronstråling benyttes til at fastlægge den atomare opbygning af store komplekser.
Indenfor specielt biologiske molekyler og materialer har Danmark traditionelt en stor industriel aktivitet ved syntese og fabrikation af biomolekyler. De danske universiteter har ligeledes meget stor aktivitet indenfor disse områder, med avanceret syntesemetoder, som typisk befinder sig på grænsefladen mellem organisk kemi og cellebiologi, som bl.a. ses i nye syntesebiologiske metoder. Nye studier inkludere ligeledes syntese af større komplekser med hierarkisk struktur med aktivitet på de forskellige længdeskalaer. Sådanne materialer er ofte dannet ved avanceret organisk syntese efterfulgt af molekylær selv-ansamling. Formål kan være kunstige væv og knogler, eller avancerede membransystemer. Nye materialer baseret på kvantemekaniske effekter forventes at få meget stor betydning for fremtidens elektronik og IT systemer.
Danmark har en meget stærk tradition for forskning i fysiske fænomener som afspejler kvante-effekter, og har potentiale for også at blive førende ved udvikling af nye elektroniske systemer til nye systemer indenfor områder fra energi og kommunikation til anvendt biovidenskab.
Med de nye materialeforskningsfaciliteter i Øresundsregionen, ESS og MAX-IV i Lund for henholdsvis neutron- og røntgenmetoder, har Danmark potentiale for at blive et endnu større kraftcenter indenfor materialeforskning, og vil med en national satsning kunne tiltrække stor international opmærksomhed med potentiale for at tiltrække udenlandske virksomheder såvel som etablering af nye.
Københavns Universitet har identificeret 8 forskningsområder under temaet Nye Materialer, som bør gives prioritet i fremtidens forskningssatsninger.
Nye Materialer - Molekylære produkter - fremstilling og innovation
1. Resumé
Danmarks største eksportvare er kemikalier og kemiske produkter,[1] bl.a. i form af medicin og en stor del af denne eksport er baseret på fremstilling og forarbejdning af molekyler. Der er derfor brug for at vi i Danmark har et forskningsmiljø indenfor organisk kemi som er på højeste internationale niveau for at sikre fremtidens behov for højt kvalificeret arbejdskraft og innovation.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Vi omgiver os med syntetiske molekyler i hverdagen. Det være sig i lægemidler, tekstiler, farvestoffer, fødevarer, personlig hygiejne, plastik, lim, maling, elektronik og meget mere. Disse produkter, der udgør fundamentet for vores høje levestandard, er baseret på kulstofholdige menneskeskabte molekyler. Uden medikamenter ville vi dø af basale sygdomme, uden agro-kemikalier ville verden sulte, uden petrokemikalier var der ingen transport med biler og fly, uden fotoaktive kemikalier ville vi ikke have computere, og uden polymerer ville størstedelen af de materialer og tekstiler, vi tager for givet, ikke eksistere.
Der er imidlertid også negative effekter af de molekylære produkter på vores miljø og sundhed som f.eks. nedsivning af agrokemikalier i grundvandet, overforbrug af antibiotika, hormonlignende stoffer i plastvarer, bivirkninger ved medicin, og ophobning af plastaffald i verdenshavene.
En af de helt store globale udfordringer er derfor hvordan vi i fremtiden kan nyde godt af alle de positive sider af molekylære produkter og samtidig undgå de negative effekter. Dette er nødvendigt for at kunne opretholde og udbygge vores levestandart. Det ville kun være muligt for halvdelen af jordens nuværende befolkning at overleve uden den kemiske industri.
Her er Danmark i en særdeles god position til at være en af de centrale spillere for fremtidens molekylære produkter. Vi har en stærk og moderne medicinal og kemisk industri og har fokus på og forståelse for de miljø- og helbredsmæssige udfordringer, der er forbundet med molekylære produkter. Vi har en række stærke forskningsmiljøer ved de danske universiteter, men for at sikre fremtiden kræves en styrkelse af nuværende forskningsmiljøer og etablering af en række nye.
I 2014 udsendte Novo Nordisk en pressemeddelelse, hvor de udtalte, at virksomheden får brug for at ansætte 3000 nye medarbejde indenfor forskning og udvikling frem mod 2022.[2] For at møde behovet for højt kvalificerede medarbejdere til forsknings- og udviklingsafdelingerne i de danske virksomheder er det nødvendigt at forskningsmiljøerne indenfor området ved de danske universiteter styrkes og fornyes så vi får flere miljøer i den internationale topklasse.
Der er og vil til stadighed være et behov for dygtige kandidater og ph.d.er med forståelse for organisk syntese indenfor forskning, udvikling, produktion, analyse, kvalitetskontrol, patentering, lovgivning, rådgivning mm. Der er imidlertid også et stort behov for fornyelse indenfor organisk kemi og relaterede områder ved de danske universiteter, som imødekommer industriens behov.
Samlet kræver det en strategisk satsning på forskningen indenfor organisk kemi i Danmark for at fastholde og udbygge styrkepositioner og sikre næste generation af forskere ved de danske universiteter gennem opbygning af nye stærke forskningsmiljøer og forskningsområder.
3. Forskningsbehov
Vi har flere forskningsgrupper indenfor organisk kemi ved de danske universiteter som er i international topklasse, specielt indenfor katalyse, nukleotidkemi, peptid og kulhydratkemi, supramolekylær kemi, proteinkemi og områder indenfor medicinalkemien. Det er vigtigt, at man fastholder og udbygger disse styrkepositioner, der i dag er med til at brande Danmark som videns og innovationsnation. Men det er nødvendigt at sikre næste generation af forskningsmiljøer i Danmark ved strategisk at prioritere etablering af nye områder, der kan komplementere de eksisterende og som vil være af stor relevans for udvikling af fremtidens kemiske industri i Danmark.
En af de helt store udviklingsområder indenfor den moderne organisk kemiske forskning i dag er grænsefladen mellem organisk kemi, biomolekyler og celle-biologi, og det er vigtigt at prioritere satsninger indenfor dette område, da det i høj grad er her at de nye væsentlige opdagelser gøres. Dette område er centralt for medicinalindustrien, hvor biologiske molekyler som proteiner og peptider i stigende grad forbedres ved kemiske modifikationer af biomolekylet. Det er f.eks. tilfældet for nye generationer af insulin, der er kemisk modificerede for at forbedre egenskaberne. Da dette område er centralt for en række store danske virksomheder, er der i meget høj grad brug for styrkelse af forskningen indenfor dette område ved de danske universiteter for ikke at halte bagefter den internationale udvikling. Derfor bør man satse på områder som proteinkemi, bioorganisk kemi, biologisk kemi, biokonjugation og øget samarbejde mellem organisk kemi og cellebiologien.
Der er også et meget stort behov for at finde nye produktionsmetoder af kemiske forbindelser som er mindre energikrævende, og hvor man undgår sundhedsfarlige og miljøskadende forbindelser. Dette vil kræve en forøget fokus på området grøn kemi. Et af de væsentlige principper indenfor grøn kemi er katalyse, hvor molekylære processer kan udføres ved mindre energiforbrug og under mere miljørigtige betingelser. Et andet er lyshøstende systemer så solens energi mere smart og effektivt kan udnyttes.
Mange af de miljøproblemer der er forbundet med kemiske produkter kan løses ved at udvikle forbedrede molekylære strukturer. Det kunne for eksempel være bionedbrydelige polymerer i plastik, således at plastik der ender i havene opløses af saltvand eller mikroorganismer i havene. Ligeledes kan man forbedre agrokemikalier så der skal bruges mindre og således at de nedbrydes til ufarlige stoffer, før de når grundvandet. Der er også brug for at finde alternativer til plast der lækker blødgøringsmidler, samt at udvikle smarte materialer til datalagring, solceller, displays og fremtidens computere.
Organisk kemisk syntese bør styrkes indenfor to felter: 1) Fremstilling af målmolekyler med særlige egenskaber af relevans for medicinalkemi, molekylær genkendelse eller polymerkemi. Denne forskning skal lære af naturen og udnytte dette til at udvikle smarte molekyler og polymermaterialer baseret på denne viden. 2) Metodeudvikling dvs. forskning rettet mod udvikling af nye kemiske reaktioner, der afgørende effektiviserer og forbedrer fremstillingen af molekyler f.eks. ved brug af katalyse.
Mange af de kemiske og bioteknologiske virksomheder som giver danske arbejdspladser og eksport er udsprunget af de danske uddannelses- og forskningsinstitutioner. Det har været meget frugtbart for det danske samfund. Gennem en øget indsats for innovation og forbedring af mulighederne for at omsætte universitetsforskning til nye start-up virksomheder indenfor det organisk kemiske område, er der stort potentiale for at øge antallet af start-up virksomheder.
Danmark har særdeles gode muligheder for at udbygge den kemiske industri på en måde der både imødegår fremtidens miljø- og sundhedsmæssige krav, og som brander Danmark som et af de allermest interessante områder indenfor medicinalindustrien, men det kræver øgede investeringer i forskningen ved de danske universiteter.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Kendetegnende for langt størstedelen af førende forskningsgrupper indenfor den organiske kemi globalt er, at de udfører grundforskning og er drevet af videnskabelig nysgerrighed. Virksomhederne i Danmark er langt mere interesserede i at ansætte ph.d.er, der har gennemført kreativ grundvidenskabelig forskning på højeste niveau fremfor tilsvarende, der har bedrevet anvendt forskning under deres ph.d.. Derfor er det vigtigt, at det er grundforskning på højeste internationale niveau der prioriteres ved de danske universiteter.
Det er samtidig væsentligt, at de områder der prioriteres, har relevans for den forskning, der foregår i industrien. Derved sikres det, at de uddannede kandidater og ph.d.er har de relevante færdigheder. Samtidig skal man satse på at forbedre den kommercielle udnyttelse af de nye opdagelser, som resulterer af grundforskningen, ved at gøre det lettere at lave spin-off virksomheder indenfor organisk og bioorganisk kemi.
Der har i en lang årrække været fokus på bioteknologisk industri og molekylærbiologisk forskning. Det er imidlertid ofte overset, at den organiske kemi udgør et bærende element i den bioteknologiske industri. Størstedelen af de ph.d.er, der uddannes ved universiteterne indenfor organisk kemi eller medicinalkemi får arbejde i den bioteknologiske eller bio-relaterede kemiske industri.
5. Danske forudsætninger
Danmark har en meget stærk kemisk og medicinalkemisk industri, der spiller en helt central rolle for vores samfundsøkonomi. Det væsentligste råstof for den kemiske industri er ikke kemikalier men derimod mennesker – unge mennesker med den bedst mulige uddannelse og forskningserfaring. Vi skal derfor satse på at styrke uddannelsen og forskningen inden for den organiske og bioorganiske kemi i Danmark gennem en række strategiske satsninger.
6. Mål, effekt og perspektiver
Ud fra den styrkeposition indenfor medicinal kemi og produktion af molekyler, som vi i dag har i Danmark, er der særdeles gunstige muligheder for den yderligere udbygning, der vil være helt central for samfundsøkonomien i Danmark. Den væsentligste risikofaktor for dette, som faktisk allerede gør sig gældende, er mangel på højt kvalificeret arbejdskraft. En anden risikofaktor er den til tider obstruktive politiske/offentlige holdning til den kemiske industri. Ellers er det et område, hvor der er ubegrænsede vækstmuligheder, såfremt det menneskelige råstof er tilstede.
7. Kontaktperson
Kontaktperson: Professor Kurt Gothelf, Aarhus Universitet, Tlf.: 60202725, Email: kvg@chem.au.dk
Kontaktperson: Professor Mikael Bols, Københavns Universitet, Tlf +45 28 75 01 60, Email: bols@chem.ku.dk
Kontaktperson: Professor Jesper Wengel, Syddansk Universitet, Tlf. 65502510, Email: jwe2sdu.dk
Kontaktperson: Professor David Tanner, Danmarks Tekniske Universitet, Tlf.: 45252188, Email: dt@kemi.dtu.dk
Nye Materialer - Fyrtårnsmiljø indenfor magnetisme og korrelerede elektronsystemer
1. Resumé
Fyrtårnsmiljø indenfor magnetisme og korrelerede elektronsystemer:
ESS vil få afgørende betydning for forskning indenfor af magnetisme og korrelerede elektronsystemer. Dette omfatter blandt andet superledning, multiferroics og undersøgelser af magnetiske materialer og magnetiske kvanteeffekter, der vil danne basis for fremtidens teknologiske løsninger spændende fra vindmølle-generatorer over datalagring til kvantecomputere.
Danmark har stor ekspertise på dette område, både på KU, DTU, og AU. Danmark er derfor udvalgt til at designe og bygge ESS instrumentet BIFROST, der skal bruges til netop disse emner. Et fyrtårnsmiljø på dette området vil løfte danske miljøer op i den absolutte verdenstop og gøre forskningen attraktiv for såvel danske industripartnere som for internationale virksomheder indenfor energi og IT sektorerne.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Mange teknologiske fremskridt inden for energi, transport, kommunikation og elektronik hænger tæt sammen med udviklingen af nye avancerede materialer med specielle egenskaber. For eksempel er funktionelle materialers egenskaber stærkt knyttet til elektronernes opførsel i materialet. Derfor er der inden for den moderne materialevidenskab et stigende fokus på forskningen inden for magnetisme og korrelerede elektronsystemer, som samlet kan betegnes som materialer, hvor kvantemekaniske effekter spiller en afgørende rolle – heraf betegnelsen kvantematerialer. Afgørende forskningsgennembrud på disse områder vil potentielt have stor betydning for vigtige samfundsudfordringer; især i energi- og IT sektorene.
I Danmark har forskningen i kvantematerialer blandt andet været orienteret mod ”høj-temperatur superledere”: Materialer, der kan lede elektrisk strøm helt uden modstand, men som dog behøver køling for at virke. Drømmen er at designe et materiale, der er superledende ved stuetemperatur. Dette ville være et virkeligt stort gennembrud, der bl.a. ville betyde en dramatisk ændring indenfor lagring og transport af elektricitet.
I Danmark har der ligeledes været fokus på ‘multiferroiske, ‘ferromagnetiske’ og 'kvantemagnetiske' materialer. De første er nye avancerede materialer, hvor magnetiske og elektriske egenskaber er koblede, hvorved der skabes muligheder for udvikling af nye datalagrings- og sensorteknologier. Ferromagneter har derimod været kendt siden oldtiden og finder bred teknologiske anvendelse. Forskningen går nu i retning af udvikling af nye, billigere og kraftigere magneter, især baseret på nanopartikel teknologi. Disse forventes at få stor betydning for fremstilling af blandt andet generatorer til vindmøller. Endeligt har studiet af kvantemagneter central betydning for vor forståelse af betingelserne for kontrol og anvendelse af magnetiske materialer i fremtidens kvantecomputere.
Neutronspredning er en helt central metode til at studere kvantematerialers opbygning, struktur og funktion. Dette skyldes især, at neutronerne er særligt følsomme over for elektroners magnetiske momenter. Neutronstudier af materialer har traditionelt altid været begrænset af den relativt lille neutron-flux, som neutronfaciliteterne har tilvejebragt. Med ESS vil der for første gang i 40 år ske en betydelig forøgelse af neutron-fluxen, hvilket muliggør undersøgelser af helt nye typer af materialer og materialesystemer. Dermed skaber ESS en række epokegørende nye muligheder.
På ESS vil man ved mange instrumenter anvende ’polariserede’ neutroner, der giver særlig præcis information om de magnetiske momenter, ligesom mange af eksperimenterne vil blive foretaget ved lave temperaturer, høje magnetiske felter, høje tryk, og/eller imens materialerne bliver fremstillet. Denne kombination er yderst relevant for studiet af kvantematerialer. Det betyder, at ESS vil blive det absolutte centrum for dette forskningsområde, da hovedparten af de nyskabende eksperimenter på området kun vil kunne gennemføres her.
3. Forskningsbehov
Forslaget går ud på at skabe et fyrtårnsmiljø indenfor magnetisme og korrelerede elektronsystemer. Dette sker for at kunne udnytte de dramatisk forbedrede muligheder, som fremkomsten af ESS betyder, og for fuldt at udnytte den danske investering i ESS, herunder det dansk byggede instrument BIFROST, der er specielt designet til denne type forskning.
Konkret ville dette fyrtårnsmiljø sprede sig over emner som: ferromagneter, nanomagneter og molekylære magneter, multi-funktionelle magneter (herunder multiferroiske og magnetoelektriske materialer), kvantemagneter, og høj-temperatur superledere. Endvidere mulighederne for at anvende ESS til studiet af topologiske materialer blive undersøgt.
Fyrtårnsmiljøet vil skulle sikre opbygning af forskningsvolumen, både på lektor- og professorniveau, men især i forbindelse med uddannelse og træning af ph.d. studerende og post docs i perioden indtil ESS (og BIFROST) er i fuld gang i 2023. Kombinationen af at stærkt fyrtårnsmiljø og fremkomsten af ESS (og MAX-IV, hvor nogle instrumenter vil tillade komplementære studier af magnetisme i kvantematerialer) vil sikre, at det danske miljø kommer helt i verdensklasse og kan tiltrække de bedste talenter.
Som en speciel satsning skal der laves et dansk center for 'opdagelse' og syntese af kvantematerialer. Det foreslås, at dette laves i samarbejde mellem KU og DTU, men samtidig skal spille sammen med det stærke syntesemiljø indenfor energimaterialer på AU.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Der er en lang tradition for samarbejde indenfor det danske miljø for anvendelse af røntgen- og neutronspredning, forankret i instrumentcentret DANSCATT. Et fyrtårnsmiljø indenfor kvantematerialer vil naturligt deltage i DANSCATT og det fælles samarbejde.
Forskerne fra det danske miljø er allerede stærkt involveret i opbygningen af instrumentering til ESS og i udnyttelse og opbygning af de eksisterende europæiske faciliteter som ILL, ISIS, og PSI, samt adskillige EU-finansierede projekter. Det foreslåede fyrtårnsmiljø skal bibeholde denne europæiske dimension, men også tænke i nordisk samarbejde i rammerne af den opstartende Nordforsk satsning Nordic Neutron Science Program.
Brugerskaren for syntesecenteret kan tænkes bredere end ESS; det er f.eks. oplagt at lave samarbejde med den store KU satsning indenfor Quantum Devices, der dækker andre aspekter af kvantematerialer, ligesom DTU’s stærke miljø for DFT beregninger vil være en naturlig stærk partner, idet sådanne beregninger kan medvirke til at forudsige præcis hvilke materialer syntesecenteret bør undersøge.
På internationalt plan er forskning i kvantematerialer på vej frem, hvilket afspejler sig i meget omtale og mange top publikationer, f.eks. Nature og Science. De danske miljøer har deltaget i en række af disse meget højt profilerede resultater og har allerede i dag en høj publikationsrate indenfor brugen af neutroner. Et fyrtårnsmiljø centreret omkring kvantematerialer og ESS har potentialet til at forøge dette output markant.
5. Danske forudsætninger
Dansk forskning har en stærk international position inden for magnetisme og kvantematerialer, både eksperimentelt og teoretisk. Forskningsmiljøet var oprindeligt koncentreret omkring DR3 forskningsreaktoren på Risø, men er nu fordelt med i alt 8-10 eksperter på AU, DTU, og KU og en stor talentmasse blandt ph.d. studerende og post docs. Miljøet har kontinuerligt været involveret i udviklingen og drift af neutroninstrumenter, og har været centralt for designet af instrumentering på ESS. Miljøet har netop fået ansvaret for design, opbygning og drift af instrumentet BIFROST på ESS, der vil være banebrydende for studier af kvantematerialer, og har også været central involveret i designet af det andet danske instrument HEIMDAL, der også vil spille en central rolle for udforskningen af kvantematerialer. Dermed vil dansk forskning få særlig adgang til de vigtigste eksperimentelle teknikker på området og en oplagt komparativ fordel i forhold til internationale konkurrenter. Derved har miljøet særdeles gode muligheder for at tiltrække internationalt førende forskere og de bedste studerende.
6. Mål, effekt og perspektiver
Et fyrtårnsmiljø vil kunne udnytte vores internationale styrkeposition indenfor magnetisme kvantematerialer til at opnå betydelige forskningsgennembrud, for eksempel i forbindelse med nye superledende materialer, materialer til at lagre kvante-information til kvantecomputere, og nye billigere permanente magneter til f.eks. vindmøllegeneratorer.
En meget vigtig del af fyrtårnsmiljøet vil være fremstillingen af nye materialer. En sådan kompetence inden for kvantematerialer findes kun i begrænset udstrækning i Danmark i dag, og der vil være behov for at styrke syntesedelen af miljøet, især i Østdanmark. Endvidere vil det være naturligt, hvis et fyrtårnsmiljø får en rolle med at understøtte neutronbrugere på tilstødende områder, for eksempel geologi og dele af kemi, på grund af miljøet tætte knytning til instrumentering på ESS.
Danske virksomheder samarbejder allerede med det danske forskningsmiljø indenfor opdagelse og anvendelse af nye ferromagnetiske materialer (ventiler, pumper, generatorer mv.). Herimod er industrielle interesser inden for kvantematerialer internationalt koncentreret på få og meget store koncerner, hvoraf kun NKT i Danmark tidligere har vist interesse. Men i takt med at ESS vil flytte det globale eksperimentelle kompetencecentrum indenfor neutronundersøgelser af magnetiske og stærk korrelerede materialer fra USA og Japan til Lund/København vil det være en oplagt vision for miljøet at kunne tiltrække en eller flere udviklingsafdelinger fra en af de store materiale- eller elektronikvirksomheder til Danmark. Her kunne man specielt tænke på internationale virksomheder inden for computerindustrien, såsom IBM, Apple og Microsoft, der drevet af ambitionen om at bygge kvantecomputere baseret på magnetiske kvante-bits, vil se en fordel i geografisk nærhed til ESS.
7. Kontaktperson
Kim Lefmann, KU, Niels Bohr Institutet, lefmann@nbi.ku.dk tlf: 2925 0476
Niels Bech Christensen, DTU, Institut for Fysik, nbch@fysik.dtu.dk tlf: 4525 3206
Nye Materialer - ESS teoricenter
1. Resumé
ESS vil være verdens førende og teknologisk fremmeste neutronspredningsfacilitet. ESS’ succes som trendsættende og banebrydende facilitet vil afhænge af skabelsen af et stærkt og kohærent forskningsprogram, som bliver tiltrækkende for de bedste brugergrupper verden over. En teorigruppe i tilknytning til ESS forankret i et stærkt dansk forskningsmiljø vil være en væsentlig katalysator i denne proces. For at udnytte det fulde potentiale af ESS foreslås det derfor at etablere et teoricenter for hårde og bløde materialer samt biologiske systemer.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
ESS vil være en af de største forskningsinvesteringer Danmark har gjort i de senere år. ESS vil sammen med den svenske synkrotronstrålingsfacilitet MAX IV være et internationalt særdeles synligt fyrtårn indenfor materialeforskningen og bioteknologien. De attraktive forskningsmiljøer vil tiltrække mange gæsteforskere til de eksperimentelle faciliteter, og også tiltrække forskningseksperter til de danske samfund, som ønsker at være i nærheden de nye faciliteter. Et teoricenter indenfor hårde og bløde materialer samt biologiske systemer vil kunne inspirere og samle nye perspektiver indenfor denne forskning samt sætte nye pejlingsmærker for ESS til glæde for det danske forskningslandskab både på universiteterne og den videns tunge erhvervssektor.
3. Forskningsbehov
Samspillet med de eksperimentelle grupper på ESS og en teorigruppe på den yderste forskningsfront er vigtig for at udvikle forståelsen for materialer, faste stoffer og biologiske systemer i bred forstand, en forståelse som næste generations nøgleteknologier vil bygge på. Teorigruppen skal i samarbejde med brugerne og de eksperimentelle grupper ved ESS udvikle og udvælge de væsentligste fundamentale problemstillinger, som ESS som institution som helhed skal arbejde på sammen med sine brugere.
Den fulde bredde af ESS potentielle muligheder fra materialer til biologi giver en udfordring i at skabe et synligt og kohærent forskningsprogram omkring ESS udover det at være en brugerfacilitet. Denne udfordring kan løftes af en stærk teorigruppe med opgave at understøtte udviklingen af et kohærent program, hvori der er en stærk vekselvirkning både internt i ESS og eksternt med de eksperimentelle grupper. Derfor bør teoricenteret have tre grundlæggende facetter.
En aktivitet omkring fremtidens materialer, som har mange nye funktioner og egenskaber indenfor for eksempel multiferroics, superledere, magnetisme, topologiske systemer, kvantefænonener, materialer som vil være afgørende for mange af fremtidens nøgleteknologier
En aktivitet indenfor såkaldte bløde materialer som polymerer, plastic, væsker og geler. Dette er systemer, som beskrives anderledes end de klassiske hårde materialer, som oftest er krystallinske, mens de bløde materialer er mere uordnede og let kan deformeres ved stress eller termiske fluktuationer.
En aktivitet på området biologiske systemer, som skal beskrives ud fra mere fundamentale problemstillinger og hvor en bedre, mere komplet beskrivelse kunne have store anvendelses muligheder i en teknologisk sammenhæng.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Teoricenteret bør havde et vist volumen og placeres organisatorisk, således der er overlap både med det danske videnskabelige miljø såvel som med aktiviteterne på ESS. Derfor bør centeret placeres på den danske side ved et universitet. Centerets volumen bør afspejles i ovenstående videnskabelige problemstillinger, således det udover en leder på professorniveau også omfatter en professor på hver at de tre ovenstående områder samt en assistent professor, en postdoc og 1-2 Ph.d. studerende til hvert område.
5. Danske forudsætninger
Samme funktionalitet blev udviklet i forbindelse med dannelsen af CERN’s teorigruppe ved Niels Bohr Institutet i midten af halvtredserne. Og her viser erfaringerne, at en stærk teorigruppe i samarbejde med de eksperimentelle forskningsmiljøer havde afgørende betydning for at udvikle CERN til verdens absolutte centrum for højenergi og partikelfysik. Denne tradition blev videreført i NORDITA regi og senere i Niels Bohr International Akademy. Derfor eksisterer der gode erfaringer og forudsætninger for at etablere et succesrigt teoricenter.
6. Mål, effekt og perspektiver
Teoricentret skaber en unik mulighed i forhold til den fremtidige brobygning med ESS-organisationen og det danske forskningslandskab, lige som det vil sikre, at dansk forskning får en central placering i udviklingen af de fremtidige forskningsmuligheder på ESS. Det vil opbygge en kompetence, som vil kunne få stor betydning for den faglige udvikling i Danmark. Det er derfor en central prioritet for teoricentret at etablere stærke samarbejdsrelationer til det øvrige forskningslandskab.
7. Kontaktperson
Robert Feidenhansl, robert@nbi.ku.dk, 28750397
Nye Materialer - Polymerer og bløde materialer
1. Resumé
En forskningsindsats inden for strategiske vækstteknologier som nano-, bio- og materialeteknologi er vigtig for at imødekomme erhvervslivets behov for den avancerede teknologiske viden, som er forudsætning for at virksomheder kan fastholde og udbygge deres konkurrencekraft på et globalt marked. Der er i de seneste år opnået ny grundlæggende erkendelse af vigtigheden af at forstå materialeegenskaber på atomart og molekylært niveau, og tilsvarende evnen til at designe og fremstille materialer på nano-skala. Design af polymerer og andre ”bløde materialer” med nye attraktive egenskaber er betinget af at materialerne forstås og kontrolleres helt ned på det molekylære niveau.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
En stor del af de teknologiske fremskridt er knyttet til udviklingen af nye avancerede materialer med specielle egenskaber, der udvikles på basis af en dyb forståelse af forholdet mellem struktur og funktion. Neutron- og Røntgent metoder giver unikke muligheder for at bestemme materialers opbygning, struktur og funktion i bredeste forstand. Med de nye generations kilder for hhv neutron (ESS) og Røntgen stråling (MAX-IV) skabes en række epokegørende nye muligheder for materialevidenskaben. Begge kilder ligger i Sydsverige, hvilket giver unikke muligheder for dansk forskning.
3. Forskningsbehov
Nye materialer er et væsentligt element i forbedring af en bred vifte af produkter og processer samt for udviklingen af helt nye produkter. Det kræver en stærk materialeforskningsindsats. Polymerer og andre ‘bløde materialer’ udgør en stor gruppe af materialer med meget brede anvendelsesmuligheder. Materialerne omfatter både naturlige biopolymerer, der fås fra for eksempel planter og papir, og syntetiske stoffer som for eksempel polystyren, der findes i en række plast- og isoleringsmaterialer. Afgørende for forskningen på dette område er at kunne afkode strukturen af f.eks. de biologiske materialer for derved at kunne udvikle nye funktionelle materialer med attraktive egenskaber. Med nye metoder inden for bl.a. Syntese Biologi vil nye miljøvenlige materialer kunne udvikles med unikke og bæredygtige egenskaber. ESS er med neutroners specielle følsomhed over for brintatomer en afgørende forskningsinfrastruktur til at afkode de molekylære nano-strukturer og molekylernes dynamik.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Forskningen skal udgøre et tæt samarbejde mellem kemikere og eventuelt biokemikere til syntese og fremstilling af specifikke molekyler, fysikere til teoretisk forståelse af samspil mellem molekylær arkitektur og nano-skala struktur, samt kemikere og fysikere til studier af mekaniske, kemiske og strukturelle egenskaber. Dertil skal der være tæt samarbejde med danske firmaer. Forskningen kan fx understøtte udvikling af nye emballagetyper til fødevareindustrien, som tilgodeser sundhedsmæssige hensyn og sikrer høj kvalitet og forebyggelse af madspild, eller være rettet mod udvikling af afgrøder til materialeproduktion mv. LEGO er afhængig af højeste kvalitet af de plast materialer der bruges, og har allerede planlagt en stor indsats på udvikling af nye bio-baserede materialer. Andre samarbejder kan inkludere Coloplast (medicinske plastre), Novo Nordisk (insulinapparatur), Grundfos (pumpehuse), Hempel (overfladebehandling), Færck Plastik (bio-polymerer).
5. Danske forudsætninger
Danmark har en virksomheds portefølje der er kritisk afhængige af kvalitets sikrede materialer baseret på polymer og andre bløde systemer. Danske forskere er internationalt førende på en række områder inden for studier af bløde materialer. Forskerne har ekspertiser i såvel strukturelle studier, der udnytter røntgen- og neutronteknikker, som de nødvendige tilknyttede ekspertiser som polymersyntese og karakterisering, reologi og processering samt mikroskopi og teori. Dertil har Danmark en industri portefølje som er afhængig af høj-kvalitets materialer.
6. Mål, effekt og perspektiver
Forskning med udnyttelse instrumenter på ESS og MAX IV vil kunne bidrage til at skabe næste generations epokegørende resultater inden for eksperimentel materialeforskning og -modellering, og bidrage til udviklingen af nye avancerede produkter i samarbejde med industrielle partnere. Fokus vil være på at forstå sammenhængene mellem polymer-molekylers kemi og molekylære struktur, og molekylernes respons på mekaniske og elektriske påvirkninger.
Et omdrejningspunkt for et projekt kunne være de såkaldte amfifile materialer, som spontant selv-ansamler i veldefinerede nano-strukturer. Anvendelsen af sådanne selv-ansamlende molekyler omfatter materialer fra termoplastiske polymerer og medicinske bærermaterialer til additiver til alt fra motorolie til tandpasta.
Med molekylær design er det muligt at designe materialer med specifikke egenskaber. De industrielle og praktiske anvendelser af bløde materialer er uhyre store. Men til trods for de mange facetterede anvendelsesmuligheder er de bagvedliggende molekylære mekanismer i høj grad fælles.
Der kan læres af erfaringerne fra én applikation til en anden af helt forskellig art. Dette gør et centralt forskningsindsats særdeles attraktivt. Det optimale molekylære design for en given anvendelse er imidlertid også meget komplekst. Der er derfor et industrielt behov for opbygningen af et større forskningsmiljø, der kan rådgive virksomheder om valg af kendte molekyler eller design af nye specifikke systemer.
7. Kontaktperson
Kell Mortensen, Niels Bohr Instituttet, KU. kell@nbi.ku.dk, +45 2151 6979
Referencer:
ESS som drivkraft for fremtidens vækst. Styrelsen for Forskning og Innovation, 2015, ISBN: 978-87-93151-74-1.
Nye Materialer - Colloids: Fødevarer, ingredienser og drug delivery
1. Resumé
Det foreslås at der etableres et større samlet fyrtårnsmiljø indenfor området ”Colloids: Fødevarer, ingredienser og drug delivery.” Miljøet skal have tilstrækkelig faglig tyngde til at kunne tiltrække de bedste studerende, førende forskere og udenlandske virksomheder og fungere som det naturlige omdrejningspunkt for forskning, uddannelse og innovation indenfor området.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Karakterisering af biologiske molekylers (blandt andet proteiners) struktur og funktion har gennem de seneste årtier haft stor betydning for forståelse og udnyttelse af de fundamentale processer og materialer på det biovidenskabelige område, med eksempler, der rækker fra cellemembraners opbygning til enzymers betydning for yoghurts tekstur. Danmark har traditionelt stået stærkt inden for life science, fødevare og biovidenskab, og der findes derfor allerede en række meget stærke etablerede forskningsmiljøer og store virksomheder med central betydning for landets jobmarked, økonomi og velfærd. Særligt på to områder kan etableringen af ESS give ekstra muligheder for dansk Life Science forskning og industri:
A) Strukturbiologi/molekylær cellebiologi
B) Kolloide systemer: Fødevarer, ingredienser og drug delivery
I det følgende vil område B blive beskrevet i større detalje.
3. Forskningsbehov
Kolloide systemer er ‘bløde’ materialer, der spontant opbygger komplekse strukturer via molekylær selvorganisering. Egenskaberne af disse bestemmes i meget høj grad af deres struktur og dynamik på mikro- og nanometer skala. Et eksempel er fødevarer, herunder forskellige mælkeprodukter, hvor strukturen i praksis bestemmer tekstur, mundfornemmelse og udseende. Et andet eksempel er lægemidler, hvor mikro- og nanostrukturen har afgørende betydning for lægemidlets optagelse, specificitet og virkningsperiode. Andre eksempler er maling, vaske- og rengøringsmidler samt personlig pleje (cremer, kosmetik med videre). De længdeskalaer og kemiske sammensætninger, der undersøges, gør neutroner og dermed ESS særdeles velegne til at give detaljeret ny information om kolloide systemers struktur og dynamik. Feltet har derfor igennem mange år været et af de dominerende på eksisterende neutronfaciliteter og det er oplagt et af de områder hvor Danmark får optimale muligheder for at opruste med etableringen af ESS.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Med etableringen af ESS og MAX IV får vi en unik mulighed for at opbygge et konkurrencedygtigt dansk fyrtårnsmiljø inden for kolloidforskning. Både ESS og MAX IV vil naturligt indgå som et centrale elementer i forskningen i samspil med en lang række andre fysisk-kemiske teknikker og værktøjer. Fyrtårnet vil indgå som en aktiv udvikler af både specialudstyr og teknikker til at koble struktur på nanometerskala til makroskopiske egenskaber. Det vil videre tage ansvar som partner i forhold til flere af instrumenterne på både ESS og MAX IV. Udvikling af teorier for de kolloide vekselvirkninger vil også være en vigtig funktion for fyrtårnet. Som en integreret del af denne aktivitet hører udvikling af avancerede dataanalysemetoder.
5. Danske forudsætninger
I Danmark findes der i dag 3-4 mindre, men internationalt særdeles anerkendte
forskergrupper inden for den grundvidenskabelige kolloidforskning. Disse grupper benytter sig i stor stil af neutroner og andre storskalafaciliteter i deres forskning. Uafhængigt af dette har Danmark store anvendelsesorienterede miljøer inden for eksempelvis fødevareforskning og farmaceutisk formulering samt veletablerede aftagerindustrier, der også bidrager signifikant til den anvendelsesorienterede forskning. I Danmark ligger de store industrielle spillere på dette felt især inden for fødevare- og ingrediensindustrien, medicinalindustrien samt i farve- og limindustrien. Der er god basis for synergi mellem de forskellige spillere, men med den nuværende spredning af aktiviteterne opstår synergien ikke spontant. Man skal dog ikke kigge langt uden for landets grænser for at finde store og virkelig stærke miljøer inden for kolloidvidenskab, der på systematisk vis integrerer grundforskning og anvendelser og som kan danne forbillede for et dansk fyrtårnsmiljø indenfor området.
6. Mål, effekt og perspektiver
Det foreslås at der etableres et større samlet fyrtårnsmiljø indenfor området ”Colloids: Fødevarer, ingredienser og drug delivery.” Miljøet skal have som ambition at være internationalt førende på sit forskningsområde og fungere som det naturlige omdrejningspunkt for forskning, uddannelse og innovation indenfor området. Miljøet skal have tilstrækkelig faglige tyngde til at kunne tiltrække de bedste studerende, førende forskere og udenlandske virksomheder. Udenlandske forskere knyttes til fyrtårnsmiljøerne, underviser på universiteterne og samarbejder med virksomheder med afsæt i en base i Danmark. Fyrtårnsmiljøet vil endvidere spille en rolle som industriportal i forhold til virksomheder der endnu ikke har selvstændig erfaring i at benytte faciliteter som ESS. Med fyrtårnsmiljøet vil dansk forskning på et strategisk vigtige område være centrum for viden og kompetence indenfor feltet og dermed understøtte at Danmark også i fremtiden er vært for store succesfulde virksomheder indenfor fødevare og Life Science området.
7. Kontaktperson
Lise Arleth, Niels Bohr Instituttet, KU. arleth@nbi.ku.dk, +45 5140 7805
Referencer:
ESS som drivkraft for fremtidens vækst. Styrelsen for Forskning og Innovation, 2015, ISBN: 978-87-93151-74-1.
Nye Materialer - Quantum Technologies
1. Resumé
We propose a new item, QUANTUM TECHNOLOGIES, within the theme ”Strategiske Væksteknologier” of the FORSK catalogue. It addresses the expected ”second quantum revolution” that will globally impact science, information technologies and a variety of advanced industrial applications.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
Quantum technology may provide disruptive solutions for several sectors of national importance, e.g. internet, health, security, and energy. The key concept is to exploit hitherto untapped resources within quantum systems to achieve device performances that cannot be reached by today’s technology. For example, quantum phenomena can be used in sensors for medical imaging that exceed the current limitations on sensitivity. Another example is quantum computation that could allow designing new materials for energy storage or develop new compounds for pharma, etc. Quantum communication will enable unbreakable transmission of sensitive data. While quantum sensing and quantum communication may find short term applications, the full potential of quantum computing devices is expected to unfold within a time horizon of decades.
Today large-scale investments (both private and public) are being directed to quantum technology research and development to prepare for the new quantum era. Furthermore, the new devices developed for quantum technology find applications also in other technology areas as well (e.g., green IT). The quantum technology research groups therefore closely collaborate with industrial partners and launch new start-ups.
3. Forskningsbehov
Progress in quantum technologies relies on research at the highest level. In order to maintain and further develop this in Denmark, support is needed for scientific activities linked to quantum technology, both experimental and theoretical. Significant resources are also required to build up and sustain the advanced infrastructure required to fabricate materials, photonic and electronic quantum devices.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
There are currently strong initiatives on a European level to define a coordinated international action on quantum technologies. Very recently the intention of launching an EU flagship programme on quantum technology with a total budget of 1 billion euros was announched by the EU Commissioner for Digital Economy and Society (link below). The desire for European initiatives was also recently formulated in the ”Quantum Manifesto” (link below).
National funding would be essential for enabling Danish academic and industry partners to prepare for and benefit from such major international initiatives. It is anticipated that major private investments within quantum technology could be directed to Denmark if quantum research and technology is sufficiently strengthened.
Link to announcement of Quantum Technology Flagship:
http://www.europarl.europa.eu/stoa/cms/cache/offonce/home/workshops/quantum;jsessionid=C2731640D5D9E4CB576AE8A773B01F41
Link to European Quantum Technologies initiative (Manifesto):
https://ec.europa.eu/futurium/en/content/quantum-manifesto-quantum-technologies
5. Danske forudsætninger
Denmark played an important, historical role in the development of quantum mechanics in the early 20th century. The academic environments originating from this tradition in physics are strong and have (together with international recruitments) recently led to activities on quantum science at the highest international level.
Two complementary routes towards quantum technologies are pursued in Denmark; quantum optics and quantum electronics. This gives us a particularly attractive position for playing a leading role in the rapidly evolving technology. Within optics several Danish companies exist, in particular SMEs, and these may be particularly well poised for taking advantage of progress in quantum technologies. This experimental effort is paralleled by a theoretical effort in the development of quantum software and algorithms to be run on quantum devices.
Notable investments have been made in Denmark, in particular a National Center for Quantum Innovation (IDF), Centers of Excellence (DG and VKR) and infrastructure (Danchip, DTU, and Niels Bohr Building, KU). Moreover, a Quantum Technology Infrastructure Proposal has been included in the 2015 Roadmap for Research Infrastructure. The need for investments in infrastructure of around DKK 1 billion over 10 years was recently formulated by industry and university organizations. (http://www.ac.dk/media/503883/forskningsinvesteringer-for-fremtiden_a5_2015_web.pdf)
In order to exploit and further capitalize on these investments in the future, it is necessary to provide funding opportunities for new research projects and infrastructure, younger upcoming researchers (incl. international hirings and formation of new groups) as well as complementary activities in neighboring fields (chemistry, materials, software, production technologies etc).
6. Mål, effekt og perspektiver
A strategic effort on Quantum Technology is expected to have medium and long term effects in several areas. From a Danish perspective one can e.g. envisage benefits from quantum sensing (medical devices and imaging), quantum computing (pharmaceutical industry, materials, chemical processes, catalysis), metrology, and security (communication, finance). The further technology development is likely to lead to a range of new start-up companies, and the research groups will enter partnerships will national and international companies.
One recent market forecast for 2017-22 estimated the global potential for quantum information technology to be DKK 32 billion 2020 with annual growth rates of 10%, denoting it as ”the most promising technology of the 21st century.” (http://www.marketresearchmedia.com/?p=850).
Since quantum technology offers disruptive solutions to non-incremental problems, one cannot expect the technological development to arise solely from industrial R&D without the infusion of external support and funding opportunities for academic environments. It is thus crucial that quantum technologies are represented in the next FORSK program.
7. Kontaktpersoner
Prof. Peter Lodahl, NBI, lodahl@nbi.ku.dk, 20565303
Prof. (MSO) Jesper Nygård, NBI, nygard@nbi.dk, 24626120
Prof. Eugene Polzik, polzik@nbi.dk, 23382045
Prof. Matthias Christandl, QMATH, christandl@math.ku.dk 51824325
Nye Materialer - Fundamental Particle Physics in the era of the High Luminosity Large Hadron Collider and exploring new cutting-edge technological avenues for high performant accelerators, detectors and big data handling
1. Resumé
Fundamental Particle Physics in the era of the High Luminosity Large Hadron Collider and exploring new cutting-edge technological avenues for high performant accelerators, detectors and big data handling.
2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder
The field of high-energy physics not only drives humankinds understanding of its ‘roots’ and fundaments at the conceptual and epistemological level but also creates documented enormous societal added value. Examples are the invention of the WWW that has profoundly changed human interactions in just 20 years, the development of accelerators (estimated over 25.000 worldwide) that are crucial for materials development and cancer therapy, powerfull new detection and imaging techniques and advanced big data handling already spreading to many other fields of science.
3. Forskningsbehov
Denmark is a member of CERN, the world’s largest and only truly global basic research center. DK has committed itself to the upgrade of the largest existing accelerator, the LHC and has proposed an upgrade of detectors and infrastructure that DK directly contributes to. which is included in the current roadmap for large research infrastructure and expected to be realized by 2025. However, the utilization of the present and future research capabilities is strenuous in DK due to a poorly supported national utilization of the infrastructure, not least the technical part. We propose a significant and long term strengthening of the Danish research and technology capabilities to capitalize on the excellent DK knowhow and the major national investment in this unique infrastructure coupled to an exploitation of the unique possibilities for knowledge transfer form CERN to DK.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
We propose that at strengthened national effort be established to capitalize further on the Danish CERN membership based on a strengthening of theory and experiment and associated technical capabilities. In particular technical knowhow is disappearing fast due to gradual attrition at the research institutions. As a part of this proposal we propose the establishment of a strong national center for development of advanced research hardware (electronics, mechanics, computing etc..).
5. Danske forudsætninger
DK is a member of CERN and contributes about 120 MDKK/yr in CERN membership fees (convention bound). In contrast to this DK has, in relative terms, one of the lowest support programs for national CERN research. In spite of this, however DK research groups have been able to maintain a remarkably large scientific impact. The possibilities in the future of making large contributions to advanced research technology are however decreasing rapidly due to lack of support for the area.
6. Mål, effekt og perspektiver
The spin-off and societal impact of CERN and research at CERN has been tremendous and of enormous value. Suffice to mention the development of WWW, the impact of accelerators in medicine, the development of imaging techniques that now are uniquitous in medicine, and the handling of extremely large data, that is now becoming a paradigm also for other fields. Future developments around CERN physics and technology are expected to produce similarly important returns in the future, f.ex. around wakefield acceleration, new superconductors, high field magnets and further improved detection systems, highly integrated and radiation resistant electronics, computing, imaging and analysis techniques. An advanced technology center would of course also be of high benefit for many other fields of natural sciences.
7. Kontaktperson
Prof. Jens Jørgen Gaardhøje, Niels Bohr Institutet. Email: gardhoje@nbi.dk. Tlf: +45 35325309.
Nye Materialer - Fyrtårnsmiljø omkring kernemagnetisk resonans spektroskopi
1. Resumé
Danmark har en ledende position indenfor kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, der som forskningsfelt understøtter den højteknologiske forskning, innovation og udvikling indenfor biotek, landbrug, materiale og farmaci. For at udnytte de muligheder en rivende teknologisk udvikling har medført, er der behov for et fyrtårnsmiljø omkring NMR teknikken, til gavn for videnskab, industri og samfund.
2. Samfundsudfordringer og muligheder
Danmarks velstand hviler på et bredt fundament af virksomheder, som omsætter videnskab til innovative løsninger. Således er virksomheder som Vestas A/S, Novo Nordisk A/S, Grundfos, Carlsberg, Danfoss, Novozymes, Lego, Velux, Lundbeck, LEO Pharma, Aalborg Portland A/S og Arla Foods Amba, eksempler på danske firmaer, der har skabt sig en markant position på verdensmarkedet gennem massiv satsning på innovation og højteknologiske løsninger. For at kunne bevare og udbygge denne position, er det nødvendigt med en række understøttende tværfaglige teknologier. Således har OECD identificeret 40 nøgle-teknologier, der forventes at understøtte den fremtidige udvikling indenfor 4 teknologiske trends – bioteknologier, avancerede materialer, digital samt energi og miljø.
NMR en nøgleteknologi, der understøtter teknologier indenfor samtlige 4 teknologiske trends ved at give adgang til informationer om molekylers struktur og reaktions mønstre ned til atomart niveau. Modsat Røntgendiffraktion og cryo-elektron mikroskopi giver NMR-spektroskopi imidlertid også mulighed for at studere molekyler i ”vandige” omgivelser svarende til det miljø, især biomolekyler naturligt befinder sig i. Ydermere giver NMR-spektroskopi unik adgang både til informationer om molekylers kemiske egenskaber (hvordan de ser ud) og dynamik (hvordan de bevæger sig og reagerer) på atom-niveau. NMR-spektroskopi er derfor en essentiel og komplementær teknologi i fremtidens kemiske, biologiske, fysiske og nanoteknologiske forskning.
NMR spektroskopi har gennemgået en rivende teknologisk udvikling, der konstant øger den tilgængelige magnetiske feltstyrke og rykker grænsen for hvilke typer eksperimenter, der kan gennemføres, samt på størrelsen og kompleksiteten af de molekyler og systemer, der kan undersøges. Både private og offentlige fonde har igennem de sidste 20 år investeret massivt i NMR infrastrukturen i Danmark. Dette giver en unik mulighed for at være de første til at udvikle metoder til at udnytte de nye muligheder, som den øgede feltstyrke og andre teknologiske fremskridt giver, og omdanne dem til innovation og styrke konkurrenceevne og BNP.
3. Forskningsbehov
Med de af OECD udlagte megatrends og teknologiske trends udpeges et virkefelt, der nødvendiggør brobygning mellem traditionelle forskningsfelter, hvormed der genereres et stærkt afsæt for nyudvikling og landvinding. NMR spektroskopi er en teknologi, der forbinder en hel pallette af områder, som kan ses som et nav i tværfaglig interaktion. Samtidig har Dansk NMR spektroskopi forskningshøjden og en ledende position til at imødekomme behovet for brobygning. Denne baserer sig på et landsdækkende netværk af laboratorier, der deler udstyr og erfaringer gennem en national brugergruppe – DANSPEC. Gruppen samler forskere beskæftiget med emner indenfor samtlige fire teknologiske trends, og den har samtidig en tæt tilknytning og fokus mod industrien. Således knytter NMR spektroskopi komplekse og tæt forbundne områder sammen.
Det største danske nationale NMR instrument huses i Aarhus og er på 950 MHz, mens et kommende instrumentcenter indeholdende et 1.2 GHz spektrometer er optaget på ”Dansk Roadmap for Forskningsinfrastruktur 2015” under navnet INSPECT - Dansk Instrumentcenter for Interdisciplinær NMR spektroskopi. De nye instrumenter medfører en betragtelig forøgelse af signal/støj forholdet og stiller videnskaben overfor et helt nyt, uopdyrket videns- og vækstpotentiale, hvor fuldstændigt nye typer af eksperimenter vil kunne gennemføres samt større komplekse systemer kan undersøges. Derfor er der behov for at etablere et fyrtårnsmiljø indenfor NMR spektroskopi, der styrker den tekniske side af NMR forskningen, således at de kommende komplekse udfordringer i samspillet mellem og på tværs af teknologierne i de enkelte fagsøjler kan imødekommes. Dette vil samtidig danne støtte for de eksisterende centre, der i højere grad benytter NMR i forskningen indenfor de enkelte teknologi-trends. Således er der opstået en kapacitet til at adressere nye, tværdisciplinære spørgsmål, som efterspørger en styrkelse af den teoretiske formåen på området for at opnå maksimalt udbytte.
4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen
Som nævnt fordeler forskningen ved de danske NMR laboratorier sig på områder indenfor samtlige fire overordnede teknologiske trends. Et fyrtårnsmiljø tænkes lagt oven på denne struktur og forankret ved de nationale NMR centre. Et sådant miljø vil skulle bestå af en leder med NMR teoretisk udsyn af international kaliber samt en række junior professorater med ansvar for at drive den teoretiske forskning til det yderste og propagere ny viden ud til, og i samspil med, de andre NMR centre. Endvidere tænkes det, at der vil blive tilknyttet en række rugekasser (co-working spaces), hvor virksomheder kan få mulighed for at eksperimentere med nye applikations-specifikke problemstillinger indeni centrene med adgang til de nyeste instrumenter og den seneste viden. Et fyrtårnsmiljø i samspil med et instrumentcenter vil således kunne samle den akademiske og den industrielle forskning yderligere og støtte forskning og udvikling i Danmark
5. Danske forudsætninger
Dansk NMR spektroskopi - DANSPEC - har opnået fremragende resultater og har som en enhed i mere end 50 år løftet forskningen i og omkring NMR spektroskopi. Det første kommercielle NMR-spektrometer kom på markedet i 1961, og flere markante danske forskere spillede tidligt vigtige roller i udbredelsen af NMR-spektroskopi og sikrede Danmarks indflydelse på udviklingen. Disse pionerer har opfostret en ny generation af forskere i Danmark, for hvem NMR-spektroskopi er et naturligt og meget centralt redskab i deres forskning. I deres forskergrupper i Danmark er der en enestående stor talentmasse af nye yngre forskere, som allerede nu tiltrækker prestigefyldte bevillinger og priser. Disse unge udgør Danmarks tredje NMR-generation, for hvem det nationale samarbejde er en selvfølgelighed. Dette udmønter sig i årlige nationale NMR symposier og fælles organisering af internationale konferencer og workshops.
En af hjørnestenene i udviklingen af NMR spektroskopi i Danmark har været samarbejdet omkring nationale NMR spektrometre. Disse flagskibe, hvoraf et 800 MHz og et 950 MHz p.t. er i drift, har sikret et højt videnskabeligt niveau og drevet udviklingen af et vidt forgrenet netværk af mindre NMR satellitter, der bare over de seneste 5 år, har modtaget bevillinger alene fra private fonde i størrelsesordenen 40 Mio Dkr. Denne massive satsning på NMR spektroskopi har skabt det instrument- og vidensgrundlag, der er nødvendigt dels for at kunne udnytte et 1.2 GHz instrument til gavn for hele Danmark og dels for at kunne tilknytte et fyrtårnsmiljø omkring det, til at imødegå de behov og muligheder fremtidens udfordringer skaber. Med en forskningsaktiv, fremragende og konkurrenceparat infrastruktur i stor skala vil et fyrtårnmiljø omkring NMR spektroskopi kunne gribe og udvikle de af OECD identificerede teknologiske og samfundsmæssige udfordringer.
6. Mål, effekt og perspektiver
Avanceret NMR-spektroskopi kan hjælpe med til at løse mange af de store samfundsmæssige udfordringer Danmark og resten af verden står overfor, og det vil kunne imødegå adskillige af de forskningsbehov, de globale udviklingstendenser peger i mod. Blandt de mest betydningsfulde af disse vil især de megatrends der relaterer sig til den bioteknologiske og nanoteknologiske industri, men også til en forbedret ressourceudnyttelse og klimatiske udfordringer i form af forbedret miljø kunne gribes. Som en essentiel teknik til at studere molekyler på atomart niveau, kan NMR spektroskopi f.eks. bidrage til udviklingen af bedre lægemidler med færre bivirkninger, mere effektive enzymer, der kan erstatte miljøbelastende kemiske processer med effektive og mere miljøvenlige alternativer, og forbedre effektiviteten i landbruget gennem design af nye mere miljøvenlige pesticider. Ved at studere hvordan celler omsætter og opbygger molekyler kan NMR bidrage med forståelse af kemien i biologiske systemer med afsmitning i den syntetiske biologi, og med hvordan vi kan bruge celler som fabrikker til at designe og fremstille fremtidens kemikalier og lægemidler. Endvidere kan teknologien hjælpe med til at detektere giftstoffer i spildevand eller til at forstå, forbedre og forandre fødevarer, samt være afgørende for at forstå hvorledes vi kan erstatte klimabelastende kemikalier i den Danske petro- og materialeindustri, ja, sågar medvirke til design af helt nye materialer med de ønskede egenskaber.
I og omkring miljøer af dette format opstår synergi, nye konstellationer og nye muligheder. Et fyrtårnsmiljø omkring et netværk af high-end infrastrukturer vil øge Danmarks tiltrækningskraft på unge forskere globalt og øge internationaliseringen af forskningen; en effekt der kun vil blive styrket af etableringen af ESS og MAX-IV i Lund. Dette vil være til gavn og udnyttelse for den danske højteknologiske industri, direkte og indirekte gennem uddannelse af kandidater på allerhøjeste teknologiske niveau. Dermed bliver infrastrukturen en vigtig vækstmotor for bioteknologiske og materialetekniske landvindinger, og et grundlag for Danmarks internationale konkurrenceevne.
7. Kontaktperson
Birthe B. Kragelund, bbk@bio.ku.dk, +4535322081
Øvrige kontaktpersoner
Thomas Vosegaard, tv@chem.au.dk, +4560202639 (Aarhus Universitet)
Jens Ø. Duus, jduus@kemi.dtu.dk, -4520835207 (DTU)
Charlotte H. Gotfredsen, chg@kemi.dtu.dk, +4545252148 (DTU)
Poul Erik Hansen, poulerik@ruc.dk, +45 46742432 (RUC)