Morgunblaðið - 11.12.1983, Blaðsíða 8

56
MORGUNBLAÐIÐ, SUNNUDAGUR 11. DESEMBER 1983
—
Grundvallarrannsóknir
hafa hagnýtt gildi
Rætt við Jón Örn Bjarnason um doktorsverkefni hans í eðlisefnafræði og rannsóknir í raunvísindum
„Það má flokka rannsóknir í raunvísindum gróf-
lega í hagnýtar rannsóknir og grundvallarrann-
sóknir. Hinar fyrrnefndu stefna að einhverju
ákveðnu hagnýtu markmiði; menn hafa yfirleitt
nokkuð glögga hugmynd um það fyrirfram hvað
þeir vilja fá fram þegar þeir leggja út í rannsóknar-
verkefni af því tagi. í grundvallarrannsóknum er
viðhorfið allt annað. Þær eru könnun á því
óþekkta, og ef menn vissu fyrirfram hvað það væri
sem verið væri að slægjast eftir, þá væri það ekki
óþekkt og tilheyrði því ekki grundvallarrannsókn-
um. Þegar byrjað er á slíku verkefni verður ekki
fullyrt að það komi nokkurn tíma til með að skila
einhverju af sér. Hins vegar sýnir reynslan það, að
grundvallarrannsóknir koma oft og iðulega að
gagni síðar, og stundum á ólíklegustu sviðum.“
Jón Örn Bjarnason heitir
maðurinn. Hann hefur
stundað nám og rann-
sóknir í efnafræði í
Bandaríkjunum meira og
minna frá árinu 1969, fyrst við
Massachusetts Institute of
Technology (MIT) en þaðan tók
hann BS-próf 1973. Doktorsgráðu
í eðlisefnafræði frá Stanford Uni-
versity lauk hann árið 1979.
Næstu tvö ár vann hann að rann-
sóknum við Stanford. Sl. tvö ár
hefur hann starfað hjá Orkustofn-
un.
í doktorsritgerð sinni fjallaði
hann um sérstaka tegund litrófs-
greiningar með leysigeisla og lagði
drög að nýrri tækni til að rann-
saka efni með leysi. Verkefni hans
flokkast undir grundvallarrann-
sóknir, hann var á höttunum eftir
því hvaða upplýsingar mætti fá
um hreyfingu sameinda með
ákveðinni tegund litrófsgrein-
ingar, algerlega án tillits til þess
hvort slíkar upplýsingar gætu
haft hagnýtt gildi eða ekki. Morg-
unblaðið átti nýlega samtal við
Jón Örn um doktorsverkefni hans
og grundvallarrannsóknir al-
mennt. Útdráttur úr doktorsrit-
gerð í eðlisefnafræði er augljós-
lega ekki mjög aðgengilegt efni
fyrir hinn almenna iesanda. Við
báðum Jón Örn því að fara hægt í
sakirnar og setja sig í nokkrar
kennarastellingar. Hann varð fús-
lega við þeirri bón og byrjaði á því
að gera nokkra grein fyrir litrófs-
greiningu sem siíkri:
Litrófsgreining öflugt tæki
til ad kanna eiginleika efna
„Eitt af því sem mikið er gert af
í eðlis- og efnafræði er að rann-
saka efni með svokallaðri
„spektróskópíu" eða litrófsgrein-
ingu. Þá er ljós látið skína á
ákveðið sýni og síðan er það ljós
sem út úr sýninu kemur kannað á
ýmsan máta: styrkur þess er
mældur, tíðni, hvernig það er
skautað og í hvaða átt það fer.
Menn hafa verið að fást við lit-
rófsgreiningu í rúmlega 120 ár og
þetta er sennilega einhver sú öfl-
ugasta tækni sem eðlis- og efna-
fræðingar hafa til að rannsaka
gerð og eiginleika efnisins. Það
eru til geysilega mörg afbrigði af
litrófsgreiningum. Ljósið sem lát-
ið er falla á sýnin er mismunandi
og greint á ólíkan hátt. Það eru þá
mismunandi upplýsingar sem
menn eru að seilast eftir í hvert
skipti.
Þegar leysigeislinn var fundinn
upp í kringum 1960 kom mikill
fjörkippur í litrófsgreininguna, ný
og fullkomnari greiningartæki
voru smíðuð sem gerðu athuganir
kleifar sem áður var ekki hægt að
framkvæma. Og þróunin heldur
stöðugt áfram. Leysitækin verða
sífellt fullkomnari og nákvæmari.
Eitt af nýrri greiningarafbrigð-
unum er svokölluð „Coherent
Raman-greining“. Þessi aðferð var
alveg ný af nálinni um það bil sem
ég var að byrja á mínu doktors-
verkefni. Ég fékk áhuga á því að
athuga fræðilega hvers konar
upplýsingar um hreyfingu sam-
einda mætti fá með þessari lit-
rófsgreiningu, og þá sérstaklega í
vökvum og loftkenndu efni. Og það
var meginþátturinn í doktorsverk-
efni mínu að rannsaka það. Upp úr
því fékk ég svo ákveðna hugmynd
um það hvernig þróa mætti þessa
greiningaraðferð enn frekar og
fjailaði seinni hluti ritgerðarinnar
um það.“
Hér fannst blaðamanni tíma-
bært að stöðva frásögn Jóns Arn-
ar og þiggja nokkra fræðslu um
leysigeislann, en í hugum flestra
er þessi geisli ekki annað en rautt,
mjótt og hættulegt strik.
— Jón Örn, hvað er leysigeisli
og hvernig verður hann til?
„Leysigeisli er mjög sterkur,
samfasa ljósgeisli. Leysitæki er
þannig upp byggt, að það er lokað-
ur hólkur, með spegli á hvorum
enda. Inni í hólknum, á milli
speglanna, er einhvers konar efni.
Það getur verið fast, fljótandi eða
loftkennt. Efnið er valið með tilliti
til þess hvaða tíðni leysigeislinn á
að hafa. Ljósi er síðan „dælt“ inn í
hólkinn, ef svo má segja, og ef
speglarnir eru rétt stilltir getur
þetta ljós magnast feikilega mik-
ið. Ef það er lofttegund sem er í
hólknum er háspennustraumur
leiddur í gegn um hana og gasið
verður glóandi, ekki ósvipað
flúrljósum, sem allir þekkja. Ann-
ar spegillinn er þannig gerður að
hann hleypir í gegnum sig hluta
ljóssins sem inni í hólknum er.
Þetta Ijós sem sleppur út, sjálfur
leysigeislinn, hefur þann eigin-
leika að vera allt af sömu tíðni og
bylgjur þess eru allar í fasa, sem
kallað er, það er að segja, þær
sveiflast í takt. Þetta er sem sagt
gjörólíkt því Ijósi sem kemur frá
venjulegri Ijósaperu, en það er
margfasa og hefur ólíka tíðni.
Annar eiginleiki leysigeislans er
að hann er mjög mjór, sem gerir
það að verkum að hægt er að
senda hann óravegu.
Leysir hefur verið hagnýttur á
mjög fjölbreyttan máta. Hann
hentar sérstaklega vel til að mæla
vegalengdir nákvæmlega. Til
dæmis hefur fjarlægðin til tungls-
ins verið mæld upp á í mesta lagi
15 sentímetra skekkju með því að
beina þangað leysigeisla og fá
endurkast frá spegii sem geimfar-
ar skildu þar eftir á sínum tíma.
Vegalengdin er reiknuð út frá
þeim tíma sem það tekur geislann
að fara þessa leið.
Þá er farið að nota leysa til
skurðaðgerða, einkum augnað-
gerða, þar sem ýtrustu nákvæmni
þarf að gæta. Eins eru þeir notað-
ir til að brenna af stóra fæðingar-
bletti og í vaxandi mæli í iðnaði,
til dæmis við málmsuðu og til að
skera eða sníða ýmis efni. En um-
fram allt er leysigeislinn mjög
mikilvægur í rannsóknum af öllu
mögulegu tagi.“
Coherent Kaman-
Ijtrófsgreining
„Nú er kannski rétt að ég snúi
mér að sjálfri tilrauninni, eða Co-
herent Raman-mælingunni. Hún
fer þannig fram að tveir leysi-
geislar, sem hafa -aðeins frá-
brugðna tíðni, eru látnir skerast á
þeim stað í sýninu sem til athug-
unar er, undir litlu horni, tveggja
eða þriggja gráða. Ef tíðnimunur-
inn er þannig valinn að hann svari
til eins orkubils f sýninu, þá
myndast þriðji geislir.n. Og gagn-
stætt því sem er um margar lit-
rófsgreiningar af þessu tagi, þá
dreifist Ijós þessa þriðja geisla
ekki í allar áttir, heldur helst
hann jafn mjór og lithreinn og
hinir tveir. Þetta hefur ýmsa
kosti, meðal annars þann, að auð-
velt verður að mæla veika svörun.
Eiginleikar þessarar greiningar
hafa leitt til þess að á síðustu ár-
um er farið að nota hana til að
mæla hitastig í logum. f Frakk-
landi hefur þessi aðferð verið not-
uð til að mæla hitastig á ákveðn-
um stöðum í útblæstri þotu-
hreyfla, en slíkt getur verið mjög
erfitt að mæla á annan hátt. Enn
sem komið er hefur þessi tækni þó
fyrst og fremst orðið til þess að
auðvelda ýmsar rannsóknir með
litrófsgreiningu og gera aðrar
rannsóknir mögulegar sem áður
voru það ekki.“
Coherent Hyper-
Raman-greining
„Mitt verkefni var að kanna
hvaða upplýsingar mætti fá um
hreyfingu sameinda með þessari
Coherent Raman-aðferð. Það varð
svo eins konar „aukapródúkt", að
þessar fræðilegu athuganir mínar
leiddu í ljós að það mundi ennþá
eitt afbrigði af litrófsgreiningu
verða mögulegt, svokölluð Coher-
ent Hyper-Raman-litrófsgreining.
Raunar rann þetta upp fyrir
tveimur öðrum mönnum á sama
tíma — öðrum í Michigan en hin-
um í Frakklandi — eins og oft vill
verða þegar um uppgötvanir í vís-
indum er að ræða. Ég skal ekki
segja hver fékk hugmyndina
fyrstur, en ég var alltént einn
þeirra. Það varð síðan hluti af
mínu doktorsverkefni að kanna
hvers konar upplýsingar væri
hægt að fá fram með þessari nýju
tækni.
Coherent Hyper-Raman-grein-
ingin er frábrugin venjulegri Co-
herent Raman-greiningu að því
leyti, að tíðni annars geislans þarf
að vera tæplega helmingi minni en
tíðni hins, í stað þess að munurinn
nemi aðeins einu orkubili. Þriðji
geislinn sem kemur út undir slík-
um kringumstæðum veitir annars
konar upplýsingar um sýnið.
Ég veit ekki til þess að nokkrum
hafi tekist að mæla Coherent
Hyper-Raman-svörun ennþá, enda
er það mjög vandasamt og rétt á
mörkum þess að vera framkvæm-
anlegt með þeirri leysitækni sem
við höfum í dag. Það stafar meðal
annars af því að þriðji geislinn er
mjög veikur sem þýðir bæði það,
að erfitt getur reynst að greina
hann og eins þurfa ljósgjafarnir
að vera gífurlega öflugir, svo öfl-
ugir að það er hreinlega hætta á
að efnið sem kanna á leysist upp í
frumparta sína. Engu að síður tel
ég líklegt að þessi tilraun heppnist
áður en langt um líður."
— Þú nefndir áðan að ýmsar
rannsóknir, sem enga hagnýta
stefnu hafa, eigi það til að koma
að gagni löngu síðar og þá á hin-
um ólíklegustu sviðum. Þitt verk-
efni flokkast undir grundvallar-
rannsóknir, hrein þekkingarleit
án hagnýts tilgangs. Eru slíkar
rannsóknir nauðsynlegar? Væri
ekki hægt að stunda ýmsar hag-
nýtar rannsóknir án þeirra?
„Það er kannski einn helsti
kosturinn við grundvallarrann-
sóknir að það sem af þeim leiðir er
oft ófyrirsegjanlegt. Til dæmis
dettur mér ekki í hug að Faraday
og Maxwell, og aðra þá sem athug-
uðu rafmagn og segulmagn á öld-
inni sem leið, hefði getað órað
fyrir öllu því sem hægt er að gera
með rafmagni og segulmagni nú á
tímum. Eins er það með skammta-
fræðina. Þegar hún varð til á
þriðja áratugnum voru menn fyrst
og fremst að leita eftir því að auka
skilning sinn á grundvallareigin-
leikum efnisins. En það er erfitt
að ímynda sér margs konar nú-
tíma tækni ef sá skilningur hefði
ekki komið til. Þar má nefna ým-
islegt í sambandi við leysitækin og
margt af þeirri fastefnaeðlisfræði
sem liggur til grundvallar örtölv-
um.
Og ég skal nefna enn eitt
skemmtilegt dæmi, sem minna er
þekkt. Svíi nokkur eyddi mörgum
árum ævi sinnar til að kanna
ákaflega vandlega litróf loftteg-
undarinnar argons. Ég held að
fæstum hafi þótt þetta verulega
merkilegt verkefni út af fyrir sig,
en maðurinn hafði einfaldlega
brennandi áhuga á þessu. En á
sjöunda áratugnum komu þessar
niðurstöður Svíans að ákaflega
góðum notum og flýttu mjög fyrir
þróun leysa. Það var engin leið að