Vi tilbyr ulike oppgaver innen bruk av optisk spektroskopi og scanning probe mikroskopi (SPM) for å studere overflater og tynne filmer på overflater. De optiske teknikkene innbefatter ellipsometri, refleksjons-anisotropi spektroskopi og andre varianter av optiske metoder. Disse teknikkene gir informasjon om de optiske og elektroniske egenskapene til overflatene og filmene som studeres. Scanning probe teknikkene inkluderer tunneleringsmikroskopi (STM) og kraftmikroskopi (AFM). Med disse metodene kan vi blant annet studere strukturen til overflater ned til atomær skala. Metodene gir også muligheter for manipulering og strukturering av overflater. Aktuelle oppgaver er listet opp i det følgende.

Holmestad / Tøtdal / Walmsley /Yu / van Helvoort / Wang / Frøseth /
Friis / Andrei / Vullum / Hasting / Nyborg i samarbeid med
SINTEF Anvendt fysikk (Marioara / (Walmsley) /Andersen / Tanem )

(e-post: randih@phys.ntnu.no, bard.totdal@phys.ntnu.no, john.walmsley@matek.sintef.no, yingda.yu@phys.ntnu.no, a.helvoort@phys.ntnu.no, jian.wang@phys.ntnu.no, anders.froseth@phys.ntnu.no, jesper.friis@phys.ntnu.no, carmen.andrei@phys.ntnu.no, per.vullum@phys.ntnu.no, hakon.hasting@phys.ntnu.no, tanja.nyborg@phys.ntnu.no, calin.d.marioara@matek.sintef.no, sigmund.andersen@matek.sintef.no, bjorn.s.tanem@matek.sintef.no,)

Vi har en velutrustet lab med tre TEMer, et som vi akkurat nå holder på å ta i bruk (!), og et atomic force mikroskop (AFM), det siste til overflatestudier. Vi har god tilgang på nødvendig regnekraft for interpretasjoner og simuleringer. Vi samarbeider i stor grad med andre grupper på NTNU, SINTEF anvendt fysikk og norsk industri, samt flere grupper i utlandet. Gruppa kan tilby varierte oppgaver innen materialfysikk; fra helt teoretiske til helt eksperimentelle eller en kombinasjon. Fordypningsemner kan ofte knyttes opp mot materialene og deres egenskaper og velges ved andre institutter

Oppgavene kan tilpasses faglig bakgrunn og interesser. Studenter vil arbeide med oppgaver nært knyttet til forskningsprosjekter som er igang i gruppa, og ofte knyttet til en postdoc, dr.ing.student eller SINTEF-forsker. Mulige oppgaver er listet under, men det beste er å komme å snakke med oss! Vi sitter i 3.etg. i E-blokka i Realfagbygget!

Gruppe for komplekse materialer representerer forskning og vitenskap i fysikk ved instituttet som arbeider innen grunnleggende materialvitenskap, med spesiell fokus på myke materialer og komplekse systemer, nanovitenskap og nanoteknologi og potensielle anvendelser av dette. Gruppen omfatter vitenskapelig ansatte (6 faste vitenskapelig ansatte, for tiden 3-4 postdocs og et titalls stipendiater) som samarbeider om eksperimenter, simuleringer og teori.

Følgende faste vitenskapelige ansatte ved institutt for fysikk er medlemmer av gruppen (Februar 2003):
Arnljot Elgsæter , Professor i biologisk fysikk
Jon Otto Fossum , Førsteamanuensis i eksperimenter i kondenserte fasers fysikk (Gruppeleder)
Alex Hansen , Alex Hansen, Professor i teoretisk fysikk
Arne Mikkelsen , Arne Mikkelsen, Professor i biologisk fysikk
Steinar Raaen , Steinar Raaen, Professor i eksperimenter i kondenserte fasers fysikk
Kim Sneppen , Kim Sneppen, Professor i teoretisk fysikk (permisjon 2002-03)

Dette nasjonale programmet for komplekse systemer og myke materialer er et samarbeid mellom tre forskningsgrupper i Norge: Gruppen for komplekse systemer og myke materialer ved Universitetet i Oslo (UiO), Gruppen for komplekse (systemer og myke) materialer ved NTNU og fysikkavdelingen ved Institutt for energiteknikk (IFE).

Siden Januar 2003 har det nasjonale programmet for ”Komplekse systemer og myke materialer” fått status og bevilgninger som et Strategisk Universitets Program (SUP) fra Norges Forskningsråd. Denne bevilgningen er gitt basert på en grundig evaluering av anerkjente internasjonale eksperter. SUP bevilgningen innebærer en formell anerkjennelse av betydningen av vårt vitenskapelige arbeid for det internasjonale og for det norske samfunnet.

COMPLEX samarbeider også nært med vitenskapelige grupperinger i København (Niels Bohr instituttet og NORDITA), i Frankrike (f.eks. Ecole Normale Supérieure i Paris, Université de Nice, Université de Rennes 1 og ved ESRF i Grenoble), i Brasil (Universidade de Brasília), i USA (University of Arizona, Brookhaven National Lab, etc) og i flere andre land.

Vi kan derfor tilby hovedoppgaver/diplomer både

• internt ved NTNU Institutt for fysikk
• ved UiO Fysisk institutt
• ved IFE, Kjeller, fysikkavdelingen,
• i København
• i Frankrike
• i Brasilia
• eller andre steder etter eventuelt ønske

I alle disse tilfellene vil hovedveileder aktivt være en av de nevnte ovenfor, selv om arbeidet fysisk foregår et annet sted enn ved NTNU. Gruppen for komplekse materialer ved institutt for fysikk, NTNU fokuserer for tiden blant annet på problemstillinger innenfor følgende hovedområder av moderne fysikk:

• Nanopartikler: Biologiske partikler (proteiner, DNA/RNA, polsysakkarider, lipid/vesikler), geologiske partikler (leire, mineraler), og idealiserte syntetiske partikler. Eksempler på biologiske nanopartikler (livets molekyler): Proteiner, DNA/RNA, polysakkarider og lipider/vesikler (fett). Disse molekylene tar mange former. Proteinene gjør arbeidet og sørger blant annet for kommunikasjon i en levende celle. DNA er bærer av "minnet" og styrer sammen med RNA det hele, inklusive hvilke proteiner som blir syntetisert. Lipider danner membraner som fysisk omslutter alle celler og mikroorganismer (diameter ned til ca 1 µm). Cellemembrantykkelsen er ca 5 nm. Vi ønsker å forstå disse "medspillerne", og hvorledes de vekselvirker med hverandre. Dette inkluderer proteinfolding, protein-protein vekselvirkninger, protein-DNA vekselvirkninger og organisering på høyere nivå som f.eks. genetiske "switcher" og molekylære nettverk.
• Myke materialer og kollektiv oppførsel: Myke materialer som resultat av vekselvirkninger mellom nanopartikler. Et eksempel på et mykt kondensert medium er leire. Leire er mykt, dvs makroskopisk ikke-krystallinsk, og viser en fascinerende og fantastisk rik oppførsel under forskjellige betingelser. Gitt at verden er full av leire, er det overraskende hvor lite som faktisk er kjent om dens fysiske egenskaper. Hvordan oppfører myke materialer seg når ytre krefter påtrykkes, f.eks. ytre elektrisk felt, magnetfelt, eller påtrykte spenninger eller deformasjoner (rheologi)? Vi har også en pågående aktivitet innen granulære mediers fysikk hvor vi studerer disse både i tørr og våt form. Fundamental forskning på dette er av nyere dato og stadig oppdages det overraskende effekter og sammenhenger. Vi arbeider også med det ”inverse” problemet, nemlig porøse mediers fysikk, hvor vi studerer hvordan væsker og gasser beveger seg gjennom disse.
• Sprekkvekst og sprekkmorfologi: Et godt eksempel på et fysisk kollektivt fenomen er sprekkvekst: Når et materiale svikter under mekanisk stress (spenning), utvikles sprekker på grunn av spenningsfeltet. Spenningsfeltet utvikles (forsterkes) i sin tur av oppsprekkingen; man får en runddans. Det vil si, "prosessen drar seg selv opp etter håret". Dette gir seg til syne gjennom hvordan sprekker ser ut (deres morfologi): Det viser seg at sprekkoverflater kan karakteriseres gjennom visse parametere som er uavhengig av materialet som sprekker opp. Vi har studert dette fenomenet gjennom mange år, men allikevel mangler mengder av viktige spørsmål svar.
• Komplekse prosesser på overflater: Materialers vekselvirkning med omverdenen foregår via overflaten. Det er derfor viktig å kartlegge og forstå egenskapene til ulike overflater. Hvordan vekselvirker atomer og molekyler med rene overflater, og hvordan resulterer vekselvirkninger mellom atomer på rene overflater i selv organiserte komplekse strukturer? Hvordan kan en overflates elektroniske og strukturelle egenskaper endres ved dannelse av nanostrukturerte overflatelegeringer ? Hvordan kan en overflate skreddersys for at en gitt kjemisk reaksjon på overflaten skal være mest mulig effektiv (heterogen katalyse)? Likeledes kan en katalysator brukes til å redusere uønskede miljøskadelige reaksjonsprodukter.

For å kartlegge og å forstå disse og andre fysiske fenomener, anvender vi blant andre følgende verktøy:

• Teoretiske beregninger stort sett basert på statistisk mekanikk
• Numerisk fysikk
• Eksperimentelle teknikker som f.eks.:
  

  o	Rheologiske teknikker for studier av makroskopisk oppførsel.
  o	Videomikroskopi og annen makroskopisk visualisering og analyse.
  o	Lysspredning og elektrooptiske metoder for kartlegging og analyse av struktur og dynamikk på nano- og mikrometerskala.
  o	Synkrotron røntgenspreding ved ESRF i Frankrike og ved andre synkrotronkilder for kartlegging og analyse av strukturer og dynamikk på nanometerskala.
  o	Nøytronspredningsteknikker ved IFE, Kjeller, for komplementær kart-legging og analyse av strukturer og dynamikk på nanometerskala.
  o	Nanopartikkelkontroll og analyseteknikker, f.eks. fraksjonering og kraftmikroskopi (AFM).
  o	Elektrondiffraksjon (LEED), og XPS og UPS (røntgen- og UV-fotoemisjon) for overflatestudier.
  o	Termisk desorpsjon (TPD) av gasser fra faste overflater.
  o	Fotoemisjonsmikroskopi (PEEM) for blant annet å studere tidsoppløste overflatereaksjoner.

Dette prosjektet omhandler digital billedanalyse av diffraksjonsmønstre. Dette er av stor interesse både mht studier av overflater, og mht laser diffraksjonseksperimenter som beskrevet ovenfor. Ved hjelp av digitalt kamera kan bilder av lys- og elektrondiffraksjon innsamles og analyseres. Lav-energetisk elektrondiffraksjon (LEED) brukes til å studere ordning av atomer ved overflaten av faste stoffer. Diffraksjonsbildet dannes på en fosfor-skjerm som kan avfotograferes med et lysfølsomt kamera, som vist i det følgende bildet til venstre. Til høyre vises en intensitetsprofil fra småvinkel laser diffraksjon fra et elektrorheologisk system, hvor diffraksjonsmønsteret avbildes direkte i kameraet vha. egnet optikk (dvs ikke via en fosforskjerm).

Intensitetsprofiler bestemmes ved behandling og analyse av de digitale bildene, og dette prosjektet handler om ”framegrabbing” og utprøving av egnet software for pålitelig billedbehandling.

En eller to studenter kan arbeide med denne oppgaven.

Et elektron har et indre magnetisk moment, et “spinn”. Spinnet angir en retning og er ikke bare en tallverdi som elektronets elektriske ladning. I normale metaller er det like mange elektroner ed spinn i en bestemt retning som i den motsatte. Elektronets spinn har i disse systemene derfor liten betydning. I en ferromagnet er det et overskudd av elektroner med et spinn i en retning og systemet har et netto spinn, eller et total magnetisk moment.

Målinger av transport-egenskapene mellom ferromagneter og vanlige metaller har vist at elektronene som beveger seg også til en viss grad er spinn-polarisert . Det betyr at de bærer med seg et netto magnetisk moment. Det fører til at ikke-magnetiske metaller kan få spesielle magnetiske egenskaper når de er i kontakt med ferromagneter og systemet ikke er i likevekt. Dette fenomenet kalles spinn-innjisering.

Egenskapene til spinnet kan brukes i nye elektroniske kretser. Det såkalte “giant magneto resistance (GMR)” -fenomenet i lagdelte ferromagnetiske-normal metall systemer ble oppdaget for litt over 10 år siden og er nå den ledende teknologien i lese-hoder for data-lagrings-medier . Elektroniske kretser som bruker elektronets spinn istedenfor elektronets ladning har blitt døpt “spintroniske” kretser etter modell av “elektroniske kretser”. Spintroniske kretser kan også brukes i magnetiske RAM brikker og muligens i framtiden i kvante-datamaskiner, datamaskiner som er basert på kvantemekaniske logiske prinsipper .

Denne prosjekt/diplom-oppgaven er et teoretisk studie av spinnets rolle i kondenserte medier og dets innvirkning på fundamentale transport-prosesser. Vi vil undersøke transport-egenskapene til sammensatte normal metall – ferromagnet – superleder strukturer. Analytiske og/eller numeriske beregner vil bli utført avhengig av studenten(e)s interesse.

En viktig problem-stilling kan være det følgende. Ett elektron som passerer en ferromagnet opplever en elektrisk motstand som er avhengig av retningen til spinnet til elektronet. Motstanden kan være større (i noen tilfeller også mindre) dersom spinnet er i samme retning som magnetiseringen i forhold til når spinnet er motsatt rettet magnetiseringen. Det betyr at ferromagneten påvirker elektronet med en spinn-avhengig kraft. På den annen side kjenner vi Newton’s 3. lov i klassisk fysikk som sier at kraft er lik motkraft. Det vil derfor også være et moment på retningen til magnetiseringen til ferromagneten dersom en strøm passerer gjennom den. Med andre ord kan en strøm gjennom en ferromagnet styre retningen til magnetiseringen i den samme ferromagneten. Vi har en mikroskopisk modell for hvordan dette spinn-momentet oppstår, og vil bruke denne modellen for å forklare de makroskopiske spinn-moment egenskapene til et hybrid system bestående av ferromagneter og normale metaller. Den mikroskopiske modellen gir et sett av generaliserte Kirchoff’s lover for spintronikk som kan forstås og brukes i analogi med Ohm’s lov for elektroniske kretser.

Bakgrunn
Plast består av ulike typer polymere, dvs store molekyler som er satt sammen av et stort antall monomere. Viktige eksempler er polyeten og polypropen der polymerkjedene er bygget opp av henholdsvis eten-(C₂H₄) og propen-(C₃H₆) molekyler. Både eten og propen har en C=C dobbeltbinding, men når flere slike molekyler settes sammen til en polymer, ender vi opp med en lang kjede med C-C enkeltbindinger. Energetisk er det mye gunstigere med en lang kjede med enkeltbindinger enn med mange molekyler med en dobbeltbinding hver. Likevel er eten stabil ved normale temperaturer; molekylene hekter seg ikke spontant sammen for å danne en polymer. Det skyldes at energibarrieren for en slik ”sammenhektingsreaksjon” (dvs polymerisasjon) er mye større enn den tilgjengelige termiske energien. Her kommer katalysatoren inn i bildet. Den sørger for å redusere energibarrieren slik at polymerisasjonen kan komme i gang og forløpe med tildels stor hastighet. En spesielt interessant type katalysator er såkalte metallocener, f.eks. Cp₂ZrC_l2, som vist i figuren.

Dikloridet er ikke katalytisk aktivt i utgangspunktet, det må aktiveres med en kokatalysator, f.eks. metylaluminoksan, (MeAlO)_n (”MAO”, Me = CH₃). Først byttes en Cl ut med en metylgruppe (CH₃), deretter fjernes et Cl^- anion slik at vi får dannet kationet Cp₂ZrCH₃⁺. Altså:

• Cp₂ZrC_l2 + MAO → Cp₂ZrCH₃Cl + ”MAO-Cl”
• Cp₂ZrCH₃Cl + MAO → Cp₂ZrCH₃⁺ + ”MAO-Cl” ^-

I kationet Cp₂ZrCH₃⁺ har Zr en ledig ”koordinasjonsplass”, så alt ligger til rette for at eten, med sin elektronrike C=C dobbeltbinding, skal bindes til Zr på den ledige plassen. Nå er veien ikke lang til et nytt kation, Cp₂ZrC₃H₇⁺, som dannes ved at etenmolekylet ”settes inn” mellom Zr og metylgruppen som i utgangspunktet var bundet til Zr. I figuren nedenfor er hele innsettingsreaksjonen vist, og dette representerer nettopp første trinn i dannelsen av en lang polyetenkjede. En slik katalysator kan lage polymerkjeder med mange hundre tusen karbonatomer, og når flere slike polymerkjeder slår seg sammen, får vi utfelling av partikler, dvs plast.

Polymerens makroskopiske egenskaper bestemmes i stor grad av dens mikrostruktur, som igjen er et direkte resultat av hvilke reaksjonsmekanismer som gjør seg gjeldende under polymerisasjonen. Og reaksjonsmekanismene kan i betydelig grad påvirkes ved å endre katalysatorens ”utseende”, dvs dens geometriske og elektroniske struktur. Her kan molekylmodellering være et nyttig hjelpemiddel dersom vi med beregninger kan forutsi hvordan et bestemt kompleks vil fungere som katalysator, eller eventuelt forklare hvorfor en bestemt katalysator virker som den gjør.

Aktuelle oppgaver
Modelleringen har foregått i nært samarbeid med Borealis og Institutt for kjemisk prosessteknologi, NTNU, og eksperimentelle resultater har ofte vært utgangspunkt for de kvantemekaniske beregningene. Et eksempel på en aktuell problemstilling er hvordan TMA (AlMe₃) påvirker reaksjonsmekanismene ved kopolymerisasjon av eten og heksen med ulike zirkonocener.

Programvare og beregningsmetoder
Vi baserer oss først og fremst på kvantemekaniske beregninger med såkalt tetthetsfunksjonalteori (DFT). Det kan også være aktuelt å benytte både lettere og tyngre ”skyts”, dvs semiempiriske metoder og korrelerte ab initio metoder. Tilgjengelige programpakker omfatter bl.a. Spartan, ADF og Gaussian. Bruk av tungregneressurser blir trolig nødvendig.

Hvis verden hadde vært to-dimensjonal ville Coulombpotensialet mellom to punktladninger q (målt i passende enheter) variert med avstanden r som ±q²log r, og Boltzmannfaktoren som r^±q2ß. Dette fører til at man langt på vei kan løse statistisk-mekanikk-problemet for et slikt (klassisk) ionesystem eksakt. Tilstandslikningen ble funnet i 1972 av Hemmer og Hauge. I løpet av år 2000 har man også lyktes i å finne den eksakte oppførselen til andre termodynamiske størrelser som indre energi, spesifikk varme og lignende.

Oppgaven vil gå ut på å studere denne løsningen nærmere, og å sammenligne den med standard tilnærmingsmetoder som også kan anvendes på tredimensjonale systemer. Den vil involvere både analytisk og numerisk arbeid.

Det tilbys oppgaver innen:
Gravitasjonskollaps, Kvanteinformasjon/kvantedatamaskiner

Det tilbys oppgaver innen:
Kosmologi, Casimireffekt

Bakgrunn
Et av hovedproblemene ved konvensjonell kreftbehandling som stråleterapi og kjemoterapi, er at behandlingene ikke er spesifikke for kreftcellene. Den ioniserende strålingen og cytostatika ødelegger både normalt vev og tumorvev, og skadene på normalt vev begrenser dosene som kan benyttes.

Ulike strategier for å utvikle tumor spesifikke behandlinger er foreslått. Utviklingen av monoklonale antistoffer som binder seg til tumor spesifikke antigener på overflaten av kreftcellene gav håp om en ny og kreft spesifikk behandling. Monoklonale antistoffer kan benyttes som bærere for radioaktive isotoper, toksiner eller andre giftstoffer. Genterapi basert på DNA vektorer som bærer terapeutiske gen kan bli en annen kreft spesifikk behandling. Liposomer benyttet som bærere av cytostatika for å forbedre farmakokinetikken, redusere toksisiteten til normalt vev og øke spesifisiteten for tumorervev er et annet eksempel på bruk av makromolekyler. Felles for alle disse behandlingene er at det benyttes store molekyler med en diameter i størrelsesorden 10 til 10.000nm, mens konvensjonelle cytostatika er små molekyler med diameter under 1 nm. Slike store molekyler har problemer med å nå fram til tumorcellene, og det er vist at bare en liten del av antistoffet som injiseres når fram til tumor vevet. Når medikamenter injiseres intravenøst eller gis oralt har molekylene en vanskelig vei fram til bestemmelsesstedet. Om de skal lykkes å nå fram og drepe kreftcellene avhenger av at det er et godt utviklet kapillærnettverk i tumoren, at molekylene kan passere over kapillærveggen og at de er i stand til å trenge gjennom rommet mellom kreft cellene (ekstracellulær matrix). Disse transportetappene avhenger av diffusjon der fluksen av molekylet er proporsjonal med konsentrasjonsgradienten og konveksjon der fluksen av molekylet er proporsjonal med den hydrostatiske trykkgradienten. Det er vist at tumorer har et høyere interstitielt væsketrykk enn normalt vev, og dette er et av hovedproblemene for å få makromolekyler fram til kreftcellene. Diffusjon ka derfor være den primære transportmekanismen.

Fluorescens resonans energioverføring (FRET) er en fluorescensteknikk som kan brukes for å studere nærhet og interaksjon mellom biomolekyler. Prinsippet for FRET bygger på at eksitasjonsenergi i donormolekylet kan overføres til et nærliggende akseptormolekyl. For at dette skal kunne skje, må akseptorstoffet ha vesentlig absorpsjon i bølgelengdeområdet for fluorescens-emisjon fra donorstoffet. Ved eksitasjon av donormolekylet, som normalt for eksempel skal gi grønn fluorescens, vil FRET gi opphav til fluorescens fra akseptor, for eksempel i det røde bølgelengdeområdet. I et slikt system vil graden av vekselvirkning mellom molekyler kunne bestemmes ved å måle forholdet mellom rød og grønn fluorescensintensitet når eksitasjonsbølgelengden er tilpasset absorpsjons-spekteret for donor.

Vi ønsker å ta teknikken i bruk for å studere nærhet mellom biomolekyler som inngår i funksjonelle eller strukturelle nettverk på cellenivå. To typer spesifikke biomolekylene merkes med henholdsvis donor og akseptor fluorochrom, og nærhet mellom de to typer molekyler måles ved hjelp av FRET, i tillegg til mengde og fordeling av hvert av molekylene. Flere relevante biologiske systemer er aktuelle for utprøving av teknikken, som kan implementeres både i konfokal mikroskopi og i flow cytometri. En mulig oppgave vil gå ut på å gjøre målinger både med flow cytometri og med konfokal mikroskopi på et enkelt modellsystem, for å vurdere de to målemetodene mot hverandre.

Bakgrunn:
Optisk Koherens Tomografi (Optical Coherence Tomography, OCT) er en ny teknikk som stadig mer taes i bruk for medisinsk avbilding. OCT benytter en interferometrisk teknikk som kalles lavkoherens interferometri hvor koherensegenskapene til lyset benyttes til å skille mellom hvor stor tidsforsinkelse ulike deler av lyset har hatt i måleobjektet. Dette skjer ved at avbildningsdybden i objektet bestemmes av optsik veilengde i interferometerets referansearm. Snittbilder av vev kan dannes på en måte som ligner på ultralyd, men med noen viktige forskjeller. I OCT er dybdeoppløsningen gitt av kildens koherenslengde som typisk er 10 µm. Lateral oppløsning er som ved vanlig optisk avbildning. Teknikken kan dermed gi tredimensjonal avbildning av levende vev med oppløsning ca 10 ganger bedre en ultralyd. En utfordring ved OCT er at lys har en mye mindre inntrengingsdybde enn ultralyd i kroppsvev, normalt begrenset til noen mm. Ett unntak her er avbildning av øyet. Det finnes allerede kommersielle instrumenter for avbildning av lagstrukturen i retina (netthinnen) f.eks for tidlig deteksjon av grønn stær og netthinneavløsning.

Det er ventet at fremtidige anvendelser av OCT ikke bare vil dreie seg om strukturavbildning, men også det som kalles funksjonell avbildning. Dette kan være f.eks Doppler (strømningsmålinger), polarisasjon (informasjon om vevets orientering) og spektroskopi (informasjon om vevets biokjemiske egenskaper). Et eksempel på spektroskopisk anvendelse er måling av blodets oksygenmetning. Ved spektroskopi benytter vi flere kilder og utnytter vi at vi kan måle forskjeller i hvordan ulike bølgelengder absorberes i vevet.

I et samarbeid mellom Optikkgruppen, Gruppe for Biofysikk og Medisinsk Teknologi og SINTEF Anvendt fysikk er utstyr for optisk lavkoherens tomografi oppbygd ved Institutt for fysikk. Målsetningen er å måle forskjellige parametre til biologiske og ikke-biologiske objekter. De siste månedene har arbeidet vært mest rettet mot å benytte spektroskopisk OCT til å måle diffusjon av et fargestoff i en gel, målinger som kan ha relevans for fotodynamisk terapi av kreft. Fremover har vi konkrete planer om å jobbe med både Doppler og Polarisasjonsfølsom OCT.

Vi har mulighet til å veilede 2 studenter høsten 2003. Noen aktuelle prosjektoppgaver er:

Detaljene i oppgaven vil være avhengig av hvor langt vi har kommet når prosjektarbeidet påbegynnes. Det er også muligheter for å formulere andre oppgaver avhengig av interesseområdet til aktuelle kandidater. Lavkoherensgruppa har et godt faglig og sosialt miljø. Vi har ukentlige ”statusmøter” som bl.a. er viktige for å gi god veiledning til studentene våre.

Mange biopolymerer fungerer ved deres samspill med andre komponenter. Innen dette området arbeides det for eksempel med interaksjoner som basis for geldannelse, dynamisk kraft spektroskopi på enkelt-molekyl nivå, lagdelte biopolymer polyelektrolyttkomplekser, og organisering av kollapset form av DNA og andre semi-fleksible biopolymer. Teknikkene som brukes for å bestemme de ulike selvorganiserte strukturene og flyteegenskaper er AFM (atomic force microscopy), ulike kontrastteknikker på lysmikroskop, og reologi. Dimensjoner og krefter kan bestemmes med presisjon i nanometer og sub-nanoNewton området. Bildebehandling er en integrert del av dette. Det arbeides med ulike skreddersydde polysakkarider, DNA og polysakkarid modifiserende proteiner. Motivasjonen for dette ligger både innen molekylære forståelse av biologiske interaksjoner og organisering, og for teknologisk utnyttelse. Innen dette feltet tilbys det prosjektoppgaver med fokus på et eller en kombinasjon av følgende tema:

Scleroglukan er et langkjedet polysakkarid som danner en trippel-heliksstruktur i vandig løsning. Det er stor interesse for slike ? (1,3)-glukaner på grunn av deres immunstimmulerende evne. Hyaluronsyre er et polysakkarid som finnes blant annet i ekstracellulær matrix. I denne oppgaven planlegges det å lage nye geler ved kovalent kryssbinding mellom hyaluronsyre og scleroglukan. Målsetting med dette er å kunne lage til geler med styrke (ulik avstand mellom elastisk effektive knutepunkter), karakterisere geldannelsen og hvordan den avhenger av molekylære parametre, og å karakterisere gelen. Slike type geler vil bli brukt som modeller for ekstracellulær matrix ved transportstudier (kompaktert DNA).

Arbeidet innebærer bruk av reologiske teknikker for karakterisering av nettverksdannelsen og sluttgelegenskaper, samt bruk av AFM for bestemmelse av klyngevekst ved avbilding av prøver oppnådd ved ulik grad av omsetting.

Kompleksering av DNA med polykationer viser seg å kondensere den utstrakte dobbelheliks strukturen til en blanding av toroidal, lineære og globulære strukturer. Ulike polykationer komplekser DNA med ulike effektivitet, og også på en måte som polykationspesifikt kan forhindre videre aggregering av toroidale polykation-DNA komplekser. Morfologien til den kompakte formen av DNA er til en stor grad bestemt av kjedestivheten og den tiltrekkende energien mellom polymersegmentene. Den siste parameteren påvirkes ved hjelp av valg av polykation, og en kan variere kjedestivhet ved å velge ulike polyanioner. I denne oppgaven ønskes det å bestemme kompaktering av trippel-heliks polysakkaridet scleroglukan. Denne polymeren omdannes til en polyelektrolytt ved derivatisering hvor en også kan kontrollere ladningstettheten. Målsettingen med undersøkelsen er å bestemme kompakteringsegenskapene til scleroglukan med ulike ladningstettheter og å undersøke hvordan oppførselen passer inn i etablerte fasediagram for kompaktering av polymerer som funksjon av kjedestivhet og tiltrekning mellom kjedene.

Hovedteknikken som planlegges brukt i oppgaven er Atomic force mikroskop (AFM), kombinert med bildeanalyse.

The aim of the project is to to develop a set of tools for molecular modeling of biopolymers, with the special attention on polysaccharides. Large variety of free and open-source molecular modeling tools are currently being developed and are available to the academic community. The main focus of these project is however concentrated around the proteins/DNA systems and as a consequence they cannot be in a straightforward way applied for example to polysaccharides. Development of the modeling tools will allow simulation of the polysaccharides in the crystalline and noncrystaline (solutions/gels) forms. Data on molecular conformations, chain packing, chain stiffness, etc. will be compared with a large amount of experimental results available. In the long run developed modeling tools should allow property/structure prediction based on the chemical composition.

In the first step, project will include a extensive survey of tools available. It will be followed by selection and adaptation to the field of polysaccharides. In the final stage of the project molecular simulations of some crystalline polysaccharides will be performed and the results compared with published X-ray diffraction data.

Vi er interessert i mekanismene for lysindusert inaktivering av kreftceller og bakterier. Ved å tilføre et stoff populært kalt ALA kan man i kreftceller og bakterier øke konsentrasjonen av fotopigment. Etter lyseksitasjon starter fotopigmentmolekylene en rekke reaksjoner som fører til celleded. Metoden blir nå brukt klinisk, bl.a. for å lysbehandle enkelte former av tumor på hud, og prøves også på andre tumor-former ved bruk av lysledere. Man arbeider også med å bruke disse lysreaksjonene for a bryte ned bakterier.

Vi har studert slike nedbrytingsprosesser i kreftcelle-linjer og i en bakterie (hvor de lysfølsomme molekylene er porfyriner). Vi konsentrerer nå arbeid på å studere lysreaksjoner hos Propionium-bakterier (som bl.a. er kjent for å ta del i sykdommen akne). Man håper at lysbehandling av bakterier kan bli et alternativ til antibiotikabehandling.

Oppgaven er å studere stoffopptak og lysinduserte reaksjoner i bakterier (med og uten pålagte felt). Oppgaven vil gi kunnskaper i fotobiofysikk, lysspektroskopi, målinger av elektromagnetiske felt samt gi erfaring av eksponeringsutstyr for elektromagnetiske felt.

Grunntilstanden til molekylært oksygen er en triplett. Denne egenskapen gjør at oksygen, som finnes overalt, er en foretrukket akseptor av triplettenergi fra omgivende molekyler. Molekyler kan komme i triplettilstand ved absorbsjon av lys, og oksygen som har mottatt triplett energi fra omgivelsene eksiteres til singlett oksygen. Singlett oksygen kan enten reagere med nabomolekyler, eller returnere til grunntilstanden ved å emittere infrarødt lys.

Oppgaven tar sikte på å måle singlett emisjon fra eksempelvis klorofyll a som funksjon av en antioksidant, eksempelvis karoten, som kan akseptere og dermed ufarliggjøre singlett oksygen.

Oppgaven vil omfatte litteraturlesning, opplæring og bruk av eksisterende utstyr, samt datainnsamling, bearbeding og fortolkning.

Måling av fluorescens fra planter kan brukes til å bestemme fotosyntesekapasiteten, som er et mål for hvor mye av den absorberte lysenergien som omsettes til kjemisk energi i en plante. Fotosyntesekapasiteten vil variere med plantens tilstand, og oppgaven tar sikte på å måle denne som funksjon av plantetemperatur og belysningsnivå.

Oppgaven vil omfatte litteraturlesning, modifisering av eksisterende utstyr, datainnsamling og bearbeiding og fortolkning av målingene i lys av ulike teorier fra litteraturen.

Selvsvingende ( oscillative ) system kan faselåses til ytre signaler (en referanse). Teori for dette er kjent fra ikke lineære systemer, og fra anvendelser av elektroniske komponenter, f.eks. PLL kretser, (Phase Locked Loops).

Innenfor biofysikken studeres også selvsvingende systemer under (rytmisk) ytre påvirkning. I biofysikkgruppa studerer vi for tiden et system med rytmiske bladbeveglser hvor perioden er typisk 4 minutter. Slike bevegelser er avhengige av lysnivået og vi vil gjennomføre et studium av svingningene når de eksterne lysforholdene varieres rytmisk.

Basert på forsøk ønsker vi å karakterisere systemet som en PLL, med parametre som låsebåndbredde, låsetid, støy osv.

Vi gjennomfører et prosjekt hvor elektromagnetiske felts forekomst og biologiske effekter blir studert. Av interesse er både effekter av lavfrekvente magnetiske felt - typisk 50Hz - og kartlegging av feltintensitetene. Videre er vi interesserte i effekter i radiobølgeområdet - typisk 30 MHz – og høyere frekvenser. Arbeidet kan tilpasses interessen hos studenten.

Vi ønsker å bygge opp en eksponeringsenhet for deler av det radiofrekvente bølgelengdeområdet (pr idag har vi kun gjennomført studier ved 27 MHz, som brukes ved plastsveising, diatermi m.v.). I denne enheten skal forsøk på enkelt-cel1er bli gjennomført.

Til slutt ønsker vi å fortsette studier av effektene av strøm-eksponering og magnetfelt-eksponering av spesielle typer celler. Disse studiene tar sikte på å avklare om magnetiske felts virkning kan skje via induserte strømmer i celler og organismer.

Oppgaven kan utformes slik at den dekker et eller flere av forslagene ovenfor. I enkelte forslag er det av interesse a vektlegge de måletekniske aspektene, i det siste forslaget er det biofysiske aspektet viktig og fokusering vil skje på celle-parametrer og lysspektroskopiske målinger.

I forbindelse med Romaktiviteten ved NTNU skal det bygges opp en sentral enhet for brukere av ISS (International Space Station) innenfor biologiområdet. En slik enhet er altså en brukersentral (en såkalt USOC) for personer som har fått godkjent sine eksperimenter i vektløshet, som trenger opplæring og gjennomføring av sine for-eksperimenter og som til slutt skal ha kontakt med ISS under eksperimentets gang.

En slik enhet er finansiert fra ESAs side og vil i Trondheim bli lokalisert til Plantebiosenteret på Dragvoll.

Et planteeksperiment på ISS, som skal gjennomføres av biofysiker og plantefysiologer ved NTNU, er et studium av hvordan vektløshet kan påvirke genuttrykk og vekst hos et forsøksmaterial.

I forbindelse med disse studiene og denne oppbyggingen av USOC kan en prosjektstudent tilbys en oppgave som tar for seg hardware for Trondheimseksperimentet, software samt tekniske innsatser i USOC oppbyggingen. Arbeidsplassen vil i hovedsak være Plantebiosenteret.

Synsbiofysikk (biosystemer), eksperimentell oppgave.

VERIS er et nytt utstyr for kartlegging av netthinnens elektriske aktivitet. Det representerer forskningsfronten på området og er foreløpig det eneste utsyret av dette slaget i Norge. Med VERIS kan en foreta simultane måling av lokale potensialer på ca. hundre mindre områder fordelt over netthinnen.. Det visuelle stimulus er et stort mønster med eks. 100 ruter hvor hver enkelt rute tennes og slukkes i en forhåndsprogrammert sekvens. Mens forsøkspersonen fikserer dette mønsteret, måles den elektriske aktiviteten. Ved høye lysnivåer og stor reseptoraktivitet er disse potensialene størst sentralt i øyet (i fovea) og avtar med økende eksentrisitet på netthinnen. Ved å sammenligne størrelsen og forsinkelsen i de mange lokale netthinne-potensialene med en normalfordeling, kan man identifisere områder med funksjonssvikt.

Vi ønsker å bruke utstyret til å lokalisere og karakterisere synsutfall i netthinnen ved forskjellige øyesykdommer. Sammen med St. Olavs hospital vil utstyret bli brukt i et EU-prosjekt (deltakere fra Tyskland, Nederland, England og Norge) som skal undersøke muligheter for tidlig disgnostisering av aldersrelater makuladegenerasjon (AMD). Dette er en sykdom som særlig er utbredt blant personer over 60 år. Den fører til at skarpsynet svekkes og i siste instans til blindhet.

Gjennom opptak av MR bilder og statistisk analyse av dataene kan man lokalisere hjerneaktivitet ved muskelbevegelser og språkfunksjoner hos pasienter som skal opereres for hjernesvulst. Oppgaven består i deltagelse i pasientundersøkelse og tolking og analyse av dataene.

Ved å gjøre MR bildeopptaket følsomt for vannets diffusjonsevne kan man få frem såkalte diffusjonsvektede MR bilder. Ved å måle vannets diffusjonsevne i mange ulike retninger i 3D-rommet kan vi estimere vannets diffusjonstensor i hver voxel i MR bildet. Tensoren kan gi nyttig informasjon om vevets struktur og konnektivitet (for eksempel i nervesystemet). Oppgaven består i å implementere diffusjonstensor MR bildedannelse på vårt pre-kliniske MR system (BIOSPEC) ved bruk av fantom.

Ved å avbilde opptak og utvasking av et MR kontrastmiddel, kan man estimere mikrovaskulær status (perfusert blodvolum, kapillær permeabilitet) i vev. Oppgaven her består i å analysere et eksisterende datasett ved hjelp av programvare som er tilgjengelig på MR senteret.

Innen stråleterapi blir behandlingsoppleggene stadig mer avanserte, noe som øker behovet for å kontrollere at den teoretisk utregnede dosefordelingen stemmer med det pasientene faktisk får. Intensitetsmodulert stråleterapi (IMRT) er en ny avansert behandlingsmetode som former høydoseområdet rundt målvolumet (tumor) og dermed gjør det mulig å spare normalvev/kritiske organ samtidig som en oppnår bedre tumorkontroll. Fricke geler kan brukes til å verifisere den tredimensjonale dosefordelingen i fantomer, og er derfor godt egnet til å verifisere IMRT. Før bestråling vil det være toverdige jernioner i gelen. Under bestråling vil toverdige jernioner omdannes til treverdige. Ved et MR opptak av gelen vil R1 signalet (R1 = 1/T1) være proporsjonalt med den bestrålte dosen. MR bilder av gelfantomene etter bestråling vil dermed kunne gi den tredimensjonale dosefordelingen i gelen. Det er flere problemstillinger innen geldosimetri som kan egne seg som prosjektoppgave.

IMRT (Intensity Modulated Radio Therapy) er en bestrålingsteknikk som brukes for å optimalisere dosefordelingen i tilfeller hvor målvolumet (som skal gis en høg dose) har en irregulær eller konkav form eller hvor målvolumet ligger nær strålefølsomme organ. Ved strålebehandling av kreft i livmorhalsen (ca. cervicis uteri) skal sete for den primære tumor bestråles. I tillegg bestråles de regionale lymfeknutene i bekkenet, som kan inneholde maligne celler utsådd fra tumor. Konvensjonell behandlingsteknikk medfører uønsket bestråling av organ i bekkenet som ikke er en del av målvolumet og som kan medføre bivirkninger for pasienten. Oppgaven blir å utarbeide et IMRT-basert behandlingsopplegg som er optimalisert ut fra ønske om adekvat målvolumdose og akseptabelt dosenivå i kritiske organ.

Elektroniske strålefeltdetektorer benyttes i dag innen stråleterapi hovedsakelig til å ta bilde av bestrålt område i pasient, dette for å verifisere at planlagt bestrålt område er i samsvar med gitt bestråling. Internasjonal forskning viser at disse detektorene også kan benyttes til å analysere strålefelt før de treffer pasienten (homogenitet i feltet, feltform, verifisering av IMRT) og å si noe om stråledosen som avsettes i pasienten (utgangsdoser, dosefordeling). En ny, forbedret type elektronisk strålefeltdetektor vil i nærmeste framtid installeres på stråle-maskinene ved avdelinga. I den forbindelse er det blant annet ønskelig å kartlegge de nye detektorenes egenskaper.

Studier av stråling på celler i kultur (brystkreftmodell)
- påverknad av ulike medikament brukt i hormon og kjemoterapi

Stikkord: celledyrking, ulike laboratorieteknikker, strålebehandling.
Endeleg oppgavetekst i løpet av våren.

Implementering av ny kalibreringsprotokoll for brachyterapikjelder. Samanlikning av oppmålte og berekna dosar (oppmåling i vassfantom, berekna dosar via doseplansystem).

Kvalitetskontroll
Ein skal gå gjennom grunnleggjande dosimetri for brachyterapi, og innføra endringar i noverande kalibreringsprosedyre, slik at det blir tilpassa retningsliner gitt av IAEA 2002.

Doseplan
Strålebehandling av livmor med Fletcher applikator med standard doseplanar gjev eit symmetrisk stråleområde. Reelt vil applikator ikkje liggja symmetrisk. Kor stor feil vil dette medføra i dose til målvolum og ulike kritiske organ?

Stikkord:
Doseplanlegging av reelle behandlingssituasjonar, samanlikning med standard / gitte felt – forbetringar av prosedyrer?

Frigjøring av eksitatoriske nevrotransmittere slik som glutamat er en nødvendig del av vanlig hjerneaktivitet. Hvis derimot for store mengder av slike substanser frigjøres under patofysiologiske tilstander kan det føre til nevronal død, såkalt eksitotoksisitet. Prosessen er kun delvis forstått og består av en kaskade av reaksjoner; f.eks. regnes den å være en direkt årsak til nevrotoksisiteten som følger slag. Trolig bidrar den også til en rekke andre nevrodegenerative tilstander slik som Alzheimers- og Parkinsons sykdom som innebærer selektiv nevronal død. Vi har fått midler fra NFRs Aldersforskningsprogram for å undersøke genetiske og metabolske aspekter ved demens. Prosjektetomfatter både kliniske og basale aspekter og er et tverrfaglig samarbeid mellom flere seksjoner ved St. Olavs Hospital, MR-senteret og Mayo Clinic, Jacksonville, FL.

Som en del av dette prosjektet blir pasienter undersøkt ved hjelp av in vivo MR spektroskopi. I tillegg blir hjerneceller i kultur eksponert for eksitotoksisitet med og uten antiepileptika, dvs. medisiner som benyttes mot epilepsi, men som også har vist seg å ha en til dels nevrobeskyttende effekt. Vi ønsker å kartlegge noen av mekanismene bak prosessen, gjerne ved hjelp av in vitro MR spektroskopi. Vedkommende vil få opplæring i cellekultur og spektroskopiske teknikker, samt delta som en viktig del av forskningsgruppen.

Nøyaktige målinger av drifthastigheten til ioner i gass kan brukes til å kontrollere teoretiske beregninger av ion-molekyl vekselvirkninger og ladningstransportprosesser.

Vi har utviklet ny elektronikk for pulsing og spenningsforsyning av et driftrør. For å oppnå nøyaktigheten som er ønsket, er driftrøret konstruert etter ultra-høyvakuum-krav. Det er nødvendig å måle strømmer ned i femtoampere-området.

Oppgaven gir mulighet for utvikling og bruk av både hardware og software.

Denne skal tåle å skytes inn i materiale som skal prøves. Må kunne leses etterpå. Utvikling pågår og forhåpentlig skal mye av arbeidet omfatte prøving og programvareutvikling.

Denne skal tåle å slås inn i materiale som skal prøves, typisk støtfangere for biler, som er et viktig produktfelt for norsk industri. Telemetri vil redusere behov for kabler som er et problem i omgivelser med slag og støt. Oppgave er vel egnet for studenter med gründerlyst.

Når støt forplantes gjennom materialer kan dette observeres ved at overflate endres optisk, eller gjennom direkte elektronisk instrumentering. Begge innfallsvinkler er lov.

Etablerte optiske observasjonsteknikker som har vært begrenset av lave kamerahastigheter og beabeidingshastighet kan nå utvides med raske videokameraer og hurtig datautstyr. Slikt utstyr er tilgjengelig. Studenter med gründerlyst vil være velkomne.

Kontakt: Prof. Em. Svein Sigmond (intern tlf.: 93624, e-mail sigmond@phys.ntnu.no, rom E3-134). Sigmond er professor emeritus ved Inst. for Fysikk, slik at det formelle ansvar for prosjekt-oppgavene ligger hos professor Helge Skullerud og/eller førsteamanuensis Tore Løvås. Sigmond er knyttet til Sintef Energiforskning AS (SEFAS, før EFI) som vitenskapelig rådgiver, og prosjektoppgavene er stort sett knyttet til SEFAS.

Prosjektene beskrevet her vil få sin teoretiske bakgrunn i emnet ”Anvendt Plasmafysikk”. Anvendt Plasmafysikk vil gi en kort innføring i gassutladnings- og plasmafysikk, og ha fokus på den stadig økende bruk av dette faget til materialbearbeiding og til løsningen av miljøproblemer som følger med industri- og avfallsbehandlings-utslipp. Fagets industrielle betydning fremgår kanskje best av at forelesningene vil bli finansiert av SEFAS, ikke av Institutt for Fysikk. Merk at det er fordelaktig å være to om alle prosjekt- og diplomoppgaver som involverer arbeid i høyspenningshall, da sikkerhetsforskrifter ofte forlanger to personer tilsted under slike forsøk.

Høyspennings kraftledninger (luftlinjer) er gjerne beskyttet mot direkte lynnedslag ved at en eller to jordete “toppliner” er montert over de strømførende fasene. Negative lyn, som er mest vanlige i innlandet (90 %) og som all lynforskning har vært konsentrert om, blir trukket til disse topplinene ved at linene sender ut et “mot-lyn” som treffer den nedadgående lynkanalen og trekker denne til seg. Slik virker alle lynavledere, og effektiviteten mot negative lyn er rimelig god. Positive lyn, som har ca 10 % forekomst i innlandet men opp til 50 % langs kysten, kan være opp til 10 ganger kraftigere enn negative lyn, og anrette tilsvarende skader hvis de treffer aktive nettfaser. Problemet er imidlertid at ingen vet om eller eventuelt hvordan lynavledere virker på positive lyn. Foreliggende pågående prosjekt har som mål å finne ut dette, og om mulig å finne effektive lynav-led-ere for positive lyn. Prosjektet drives av Sintef Energiforskning (SEFAS, før EFI) og Statnett, og nytter EFI’s høyspenningshall med 2 mill. volt lynpulsgenerator. Fra fysikk har Tore Bersås og Kjetil Hus i 1998 avsluttet sin diplomoppgave på prosjektet, med interessante resultater. Arbeidet ble så ført videre i en prosjektoppgave av Lisbeth Hvidsten. Prosjektet er nå lagt på is i påvente av resultatene fra det mer høyaktuelle beslektede prosjektet A2.

Det norske 22 kV mellomspenningsnettet er for det meste lagt som blanke luftlinjer, men bruk av plastisolerte luftlinjer har mange fordeler og blir mer og mer vanlig. I et pionerarbeid for noen år siden ved SEFAS under o.ing. Lars Rolfseng ble følgene av lynnedslag på slike linjer undersøkt eksperimentelt, og forskrifter for lynsikring ble utarbeidet. Disse sikringsforskriftene er nå standard i Norge, men de medfører atskillig større merkostnader enn lynsikring av blanke linjer. Forskriftene er basert på den konservative antakelsen at lynnedslag er like hyppige til isolerte som blanke linjer. Et stadig økende statistisk erfaringsmateriale med plastisolerte (BLX) linjer synes nå å vise at slike linjer har langt lavere lyntreffhyppighet enn blanke linjer, helt ned i 1%. Hvis dette kan gis en laboratoriemessig og teoretisk bekreftelse vil lynsikringsforskriftene kunne gjøres langt lempeligere og billigere, og øke bruken av isolerte linjer. Slike forskningsresultater vil også få stor betydning for den nå planlagte bruken av isolerte luftlinjer for 132 kV nettet. Studentene Axel Bohman og Frank Stormo har våren 2002 avsluttet en felles diplomoppgave på dette prosjektet. De brukte en 1.2 – 2 m lang gnist fra en 1.2 MV støtspenningsgenerator ved SEFAS/Elkraftlab. til å simulere de første meterne av et ankommende lyn, som ble rettet mot isolerte og blanke ledere. Vekselvirkningene lyn-ledere ble observert med elektrooptisk hurtigkamera og med hurtig pulsoscilloskopi, og ble også undersøkt med simuleringer på datamaskin. Prosjektet føres nå videre av Turid og Svein Sigmond, som inntil nå har konsentrert seg om å oppdatere den elektrooptiske registreringsapparaturen. Vi har god bruk for to prosjektstudenter til hjelp med prosjektet. Når vi har samlet tilstrekkelig kunnskap om BLX kontra blanke linjer, vil prosjektet gli over i prosjektet A1. Høyspennings kraftledninger og beskyttelse mot positive lyn, f.eks. som diplomoppgaver våren 2004.

Råolje inneholder en del salter som må bort. Dette gjøres ved å dispergere vann i oljen, for å vaske bort saltene. Deretter blir de forurensede dråpene fjernet ved å la tyngden drive dem til bunnen av store tanker og tappe dem ut. Denne utfellingen går langsommere jo mindre dråpene er. Nå har man funnet ut at et elektrisk vekselfelt får små dråper til å koalesere til store dråper, som sedimenterer raskere. Man vet bare ikke hvorfor, og ”hvorfor” er viktig for å optimalisere prosessen. SEFAS, Shell, Hydro, Statoil, ABB og Elf har gått sammen om prosjektet. Våren 2001 har jeg hatt diplomkandidat Michaël Becidan fra Ecole Normale Superieure de Chimie de Paris til hjelp. Han er nå igang med doktorgradstudiet ved NTNU på beslektet problem. Våren 2002 fortsatte diplomkandidat Cécile Mathivat fra samme eliteskole prosjektet, sammen med SEFAS-forskere (dr.ing. folk fra Elion), og har fått prosjekt/diplomstudent Britt Heggem som etterfølger 2002–2003. Prosjektet har finansiering for flere år, slik at det nå er klart for flere prosjekt- og diplomoppgaver. Vår del av prosjektet konsentrerer seg om elektrisk og elektrooptisk observasjon av vekselvirkningen mellom to vanndråper som nærmer seg hverandre i oljebad, under forskjellige påsatte elektriske felter (likefelt, vekselfelt, pulsfelt av forskjellige frekvenser) og med forskjellige tilsetninger til oljen. Prosjektet involverer også samarbeid med SEFAS avdeling for termisk energi og fluidstrømning, som har ekspertise i hydrodynamiske datamaskinsimuleringer av olje med et sort antall vanndråper.

Transformatorolje er et av verdens viktigste elektriske isolasjonsmaterialer. Et elektrisk overslag i oljen begynner med injeksjon av elektrisk ladning fra små ujevnheter i omgivende ledere. Injeksjonen fører til dannelse av gassbobler, og overslaget utvikler seg som gassutladninger i boblene. SEFAS har gjennom mange år arbeidet med dette problemkomplekset, finansiert av ABB og andre, og delvis i samarbeid med Laboratoire d’Électrostatique et des Materiaux Diélectrique (LEMD) i Grenoble. Stian Ingebrigtsen (Fysikk) tok diplom på dette i 2002, og Øistein Hestad tar diplom nå, i samarbeid med Ingebrigtsen. SEFAS har stadig behov (og finansiering) for flere prosjekt- og diplomstudenter fra Fysikk til dette prosjektet. Det eksperimentelle arbeidet består av utvikling og bruk av høyspennings pulsgeneratorer og elektrooptisk mikroskopisk registreringsutstyr.

Dette er et stort samarbeidsprosjekt som involver SEFAS, Ecole Superieure d’Electricité, Electricité de France, og Comenius Universitetet i Bratislava. Prosjektet avhenger imidlertid av EU-midler, og finansieringen er ennå ikke klar. Biomasse kan omvandles til termisk energi direkte ved forbrenning, eller gjøres om til mer høyverdige produkter gjennom prosessene gassifisering eller pyrolyse. I prosessen kan både luft, vanndamp og rent oksygen inngå som oksidasjonsmiddel, og gassproduktet (brenselsgassen) består typisk av H2, Co, CO2, N2, H2O, og hydrokarboner. De brennbare gassene fra prosessen har tradisjonelt blitt benyttet direkte til eksempelvis produksjon av damp/varmt vann ved forbrenning i kjele eller for produksjon av varme i prosessammenheng. Det er imidlertid stadig mer aktuelt med gassifisering av biomasse til drift av gassmotorer eller gassturbiner for kraftverk. Behovet for gassrensing vil avhenge av gassifiseringsteknologi, brenselkvaliteter og teknologi for konvertering av energi. Generelt må den produserte gassen renses med hensyn på innholdet av tjære og partikler. Gassrensing må foretas for å unngå avsetninger, slitasje og korrosjon i en etterfølgende prosess samt for å unngå for store utslipp av forurensende komponenter til omgivelsene. For eksempel er kvalitetskravet til gassen i en gassturbin er kjent for å være veldig strengt fordi kun særdeles små mengder av faste partikler eller væske kan tolereres. I dag gjøres dette ved katalytisk cracking samt vann- og oljebasert scrubbing (våtvasking) av brenselsgassen. Det arbeides også med plasmareaktorer for høytemperatur nedbryting av tjæren. Det overordnede problemområdet når det gjelder bruk av lav brennverdi LCV) gass fra biomasse i en forbrenningsmotor er tjæreforbindelser i gassen inn på motoren. Naften som produseres under gassifiseringen av biomasse begynner å kondensere til tjære (bio-olje) ved omtrent 300°C. Det betyr at naftenske forbindelser som finnes i gassen vil kondensere på innsugningsrøret, ventiler og sylinderoverflatene etc. når den entrer motoren. De to konkrete, sammenknyttede problemstillinger for dette prosjektet er følgelig I. Nedbryting av naftener i brenselsgassen fra biomasse-pyrolysen, og II. Reduksjon av CO innholdet i avgassen fra motorer og turbiner drevet med biomassegass. Selektive eksitasjonsreaktorer SER er basert på det etablerte faktum at den mest effektive primære komponent i kjemiske reaksjoner er energetiske elektroner, ikke tunge atomer eller molekyler som beveger seg med langsomme termiske hastigheter. De energetiske elektronene kan bryte enhver kjemisk binding, og også danne kjemisk aktive produkter som atomært oksygen, ioner eller eksiterte tilstander. I en SER dannes disse elektronene enten ved A. ikke-termiske gassutladninger, som korona og pulsede eller høyfrekvente streamere eller avbrutte gnister, eller av B. elektron-stråle-kanoner. Til forskjell fra klassiske varmebehandlingsmetoder, som plasmabrenner, kan dette i prinsippet gjøres uten at nøytrale molekyler i gassen oppvarmes nevneverdig.

Jeg har kjøpt inn et russisk dataprogram KARAT som kan simulere opp til 100 000 ladete partikler i elektromagnetiske feltkombinasjoner (på Pentium PC). Dette kommer med kildekode i Fortran og C++, samt med e-mail forbindelse til produsenten Dr. V. Tarakanov ved Moskva Univ., som vi har et godt samarbeid med. Vi må, sammen med Tarakanov, modifisere programmet slik at vi kan simulere forhold i gass ved atmosfæretrykk, typisk vekselvirkningen mellom elektronstrålen fra en korona katode og det plasmaet som strålen danner i gassen utenfor. Student Jørund Bogstrand har gjort diplomen med undersøkelser over bruk av KARAT til simulering av store elektronlaviner (mer enn 108 elektroner). Her må en bruke et nytt konsept vi har funnet på: Simuleringen kan ikke håndtere mer enn 105 partikler, så vi må la hver partikkel representere et superelektron som må vokse med størrelsen på lavinen. Resultatet ser svært lovende ut, men mer arbeid gjenstår. Vi er interessert i maks to studenter til prosjekt og diplom på dette feltet. Det er en fordel om man har faget Elektron og ionefyikk og/eller Transportteori. Oppgavene kan være metodeundersøkelse og -utvikling (som Bogstrands) eller bruk av programmene på simuleringer innenfor gassutladningsprosjekter.

Ved hjelp av laserlysspredning studeres termiske fluktuasjoner i gass og kondensatfasen og på grenseflaten mellom disse. For høsten 2003 er det aktuelt med en oppgave der en ved bulkspredning skal studere nuklering i gassfasen for en alkanblanding (modellsystem) og korrelere resultatene til grenseflatespenning mellom fasene målt ved grenseflatelysspredning. Arbeidet vil bli utført i samarbeid med SINTEF Petroleumsforskning.

Denne forskninga skal gi eit grunnlag for det teknisk-industrielle utviklingsarbeidet som står att å gjera for at energien i havbølgjene skal kunna bli utnytta til energiforsyning i større målestokk. Bølgjeenergien, som er ei rein og fornyeleg energikjelde, blir skapt ved omforming av ein del av vindenergien over havområda. Vindenergien blir skapt ved omforming av ein del av solenergien. Ved begge desse omformingane blir energistraumen fortetta (rekna i watt pr. kvadratmeter flate). Rett under vassflata i havet er bølgjeenergistraumen, i tidsmiddel, typisk om lag fem gonger tettare enn vindenergstraumen 20m over havflata, og 10 til 30 gonger tettare enn solenergistraumen. Dette gir gode voner for at bølgjekarftverk kan bli kommersielle og i framtida spela ei viktig rolle i energiforsyninga for mange kyststatar.

Aktuell oppgåve er:
Måling av hydrodynamiske parametrar på modell av bølgjekraftverk. Den eksperimentelle delen av arbeidet skal gjerast i bølgjelaboratorium. To studentar kan gjerna samarbeida med denne oppgåva, men eventuelt går det også an at ein student åleine gjer si prosjektoppgåve med dette.

Ultraviolet stråling (UV) er en del av vår fysisk hverdag og vekselvirker med levende organismer og ulike materialer. Variasjon i innstråling av UV vil ha konsekvenser for miljøet. Mål for studiene er økt kunnskap om hvordan innstråling varierer med ulike atmosfæriske komponenter. Noen problemstillinger av interesse er følgende:

Hva påvirker utrafiolette stråling som når bakken, for eksempel skyer, støvpartikler (aerosoler) og refleksjon fra bakken? Hvordan ser fordelingen av stråling fra himmelen ut under ulike klimatiske forhold?

Arbeidsmetoder:
Ulike detektorer som måler utrafiolett stråling på bakken, inklusive ozon, aerosoler, bakkerefleksjon blir brukt. Data samles og kvalitetskontrolleres. Noen av sensorene krever videre utvikling som kan innebære noe instrumentutvikling for de som ønsker det spesielt. Satellitdata (spesielt ozondata) brukes for å sammenligne med bakkemålinger. Modellverktøy som modellerer utrafiolett stråling ved klar himmel, sammenligning med målinger. Det er en fordel med litt erfaring i Matlab. 1-2 studenter

Fjernmåling er blitt et viktig verktøy for å observere miljøet på jorda. Overvåkning av land og hav inngår i dette. Det er ønskelig å kunne følge variasjoner i havet ved hjelp av satelitt. For å få pålitelige data er det helt nødvendig å forstår hva som påvirker penetrasjon av sollys i sjøen. Det er innefor disse rammene oppgaven ligger. Den går ut på å analysere hvordan ultrafiolett stråling og synlig lys penetrerer i Trondheimfjorden i løpet av en års syklus. Det finnes data fra flere år tilbake som vil fortelle noe om de faktorerer som påvirker penetrasjonen. Metodisk krever oppgaven litt kunnskap om matlab og ellers generell kunnskap om stråling.

Norge har store områder egnet for utbygging av vindkraft. På gunstige steder er nå vindkraft i samme prisområde som ny vannkraft, og potensialet er betydelig, 30 – 70 TWh/år, avhengig av forutsetninger. Vind- og vannkraft har årstidsvariasjoner i motfase, og samkjøring er spesielt gunstig.

Ved Titran på Frøya har gruppen en avansert, datastyrt målestasjon for studium av vindfeltet. Den har 3 master på 100, 100 og 45 m. høyde. På en øy vest for Titran finnes ytterligere en mast på 45m. Kontinuerlige tidsserier av vindens hastighet og retning registreres i mange målepunkter. Temperaturprofil og stråling blir også registrert. Målefrekvens er 1 Hz, 4 Hz og 20 Hz. En har også utstyr for å etablere flyttbare målestasjoner. Formålet er å samle data av relevans for utbygging av vindkraft, og generelt for beregninger av vindlast på konstruksjoner. Spesielt studeres turbulens i vinden, deri inkludert korrelasjoner i vindfeltet som funksjon av retning og avstand. Videre er det viktig å konstruere og prøve ut statistiske modeller som kan forutsi ekstreme utslag i vindbildet. Vi har samarbeid med Vindkraftgruppen ved Risø Nationale Laboratorium og Danmarks Tekniske Universitet.

I et samarbeid mellom NTNU, SINTEF Energiforskning , Institutt for energiteknikk (IFE) og industri er en prøvestasjon for vindkraftverk under oppbygging på Valsneset i Bjugn der studentprosjekter kan innpasses. Det er nå generelt stor interesse for utbygging av vindkraft.

Oppgaver:

1. Eksperimentell og/eller teoretisk undersøkelse av generell tids- og romstruktur i det maritime vindfelt. Dette er viktig for dimensjonering og design av optimalt styringsprogram for vindturbiner.
2. Studium av ekstreme vindbyger basert på direkte observasjoner og beregninger fra spektralfunksjoner.
3. Målinger av materialspenninger i turbinblader og elektrisk produksjon fra vindkraftverk med henblikk på optimal styring av kraftverket ved bladvridning (pitch control). Etter nærmere avtale med eksterne partnere og grupper innen SINTEF Energiforskning.

Andre oppgaver kan også formuleres.

Fysikere ved UiO, UiT, NTNU og NLH har gått sammen om å lage nettstedet www.fysikknet.no. Her presenteres moderne fysikk og en rekke emner og problemstillinger det forskes på i dag. Hensikten med nettstedet er å bidra til at viktig kunnskap blir gjort tilgjengelig for et bredt publikum. Det er lagt vekt på å presentere fysikk på en spennende måte og gi alle noe å undres seg over. Én viktig målgruppe for nettstedet er elever i skolen. Websidene kan brukes som et utgangspunkt for å skape interesse for fysikk, men de kan også være et viktig bidrag til å fornye innholdet i faget.

Et neste skritt i arbeidet med nettstedet er å vise lærere i skolen hvordan de kan utnytte nettstedet sin undervisning. Det er også behov for mer generelt å videreutvikle noen av temaene i pedagogisk retning. Dette arbeidet vil danne utgangspunktet for denne prosjektoppgaven.

Prosjektoppgaven vil blant annet bestå i å finne annen informasjon på internett som kan knyttes opp mot fysikk.no. Slikt materiale er viktig for å skape mer helhetlige undervisningsopplegg for skolebruk. Det vil videre være behov for å samordne temaene på nettstedet med læreplaner og lærebøker i skolen. Den viktigste oppgaven vil likevel være å lage oppgaver og vise måter som kan brukes for å arbeide med nettstedet. Oppleggene som lages vil bli lagt ut på nettstedet som en hjelp for lærere, elever og andre besøkende.

Studenter som ønsker å arbeide med denne prosjektoppgaven kan ta utgangspunkt i følgende temaer:

• Sansene
• Superledning
• Fra Big Bang til mennesket
• Liv og bevissthet
• Partikkeleventyret
• Hverdagsmysterier
• Kvantefysikk – naturens terningspill
• Eksperimenter