Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten

Metaller spelar en avgörande roll i biologiska processer, och upp till hälften av alla enzymer är så kallade ”metallenzymer”. Dessa enzymer är beroende av metalljoner för att fungera och möjliggör komplexa kemiska reaktioner som är centrala för allt liv, till exempel bildandet av DNA-byggstenar och spjälkningen av vatten i fotosyntesen.

Min forskning befinner sig i gränslandet mellan kemi, biologi och biofysik med målet att på molekylär nivå förstå det intrikata samspelet mellan proteiner och metaller som ger metallenzymer deras unika egenskaper. Speciellt fokuserar min verksamhet på så kallad mikrobiell vätgasmetabolism.

För flera miljarder år sedan började mikroorganismer utnyttja vätgas som energikälla och de har sedan dess utvecklat en sofistikerad vätgasekonomi. I hjärtat av denna process finner man ett metallenzym kallat hydrogenas, som både klyver och bildar vätgas.

En av de mest spännande aspekterna av hydrogenaser är deras potential inom hållbar energi. Min forskning strävar efter att utveckla metoder där dessa enzymer kan användas för att omvandla solenergi till vätgas, ett rent bränsle. Detta kan revolutionera vår energiproduktion och minska beroendet av fossila bränslen, vilket är ett stort steg mot en hållbar framtid.

Att förstå vätgasmetabolism är också avgörande för att bättre förstå mikrobiell metabolism i stort, vilket kan leda till utvecklingen av nya antibiotika men framför allt förväntas öka vår förståelse för liv i extrema miljöer.

Den mänskliga nischen på jorden, som också kallas ”antroposfären”, har expanderat kraftigt sedan mänsklighetens gryning. Varje gång i historien som människor har tillägnat sig nya energikällor har deras makt ökat, till den grad att det globala mänskliga samhället nu hotar hela biosfärens stabilitet och funktion. Som ett erkännande av, och i väntan på detta existentiella hot, har forskare och andra studerat och varnat för miljömässiga gränser.

Miljömässiga begränsningar kopplas till insikten om att knapphet har blivit en endemisk situation för mänskliga samhällen. Knapphet förklaras ofta snabbt som ”för många människor och för få resurser”. Men denna förklaring förbiser det faktum att knapphet också uppstår ur människors strävanden och behov, och ur de sätt på vilka människor utövar makt över naturen, över andra och över sig själva.

Mitt mål som professor i naturresurser och hållbar utveckling är att förstå varför och hur förändringar i resursbrist och resursöverflöd hänger samman med utvecklingen av mänskliga samhällen och deras biokulturella mångfald. Detta tar sig bland annat uttryck i förändringar i mänskliga känslor, övertygelser och önskningar, social makt och ojämlikhet, teknologisk utveckling och institutioner som organiserar och rättfärdigar användningen av naturen. För detta ändamål integrerar jag kunskap från samhällsvetenskaperna med ekologi, biologi och geologi i ett långsiktigt historiskt perspektiv.

Innan en vulkan får ett utbrott samlas magma i vulkanens inre och transporteras sedan till jordytan. Magmans resa genom vulkanen kännetecknas av komplexa kemiska och fysikaliska processer som bland annat skapar jordskalv och landhöjning, vilket i bästa fall kan möjliggöra förutseendet av vulkanutbrott.

Jag studerar processerna som utspelar sig i aktiva vulkaner genom att undersöka döda vulkaner vars inre ligger blottat vid jordytan. Med hjälp av detaljerade fältstudier, drönar- och flygfotografi skapar jag och min forskargrupp datormodeller och rekonstruktioner av magmakammare. Dessutom simulerar vi de komplexa processerna som pågår när magma bildas och transporteras i vulkanen. Vi använder även mikroskopi och texturanalys för att förstå hur magmans egenskaper påverkar dess förmåga att transporteras och dess potential att orsaka naturkatastrofer.

Eftersom vulkaner också spelar en viktig roll i jordens kemiska differentiering och värmetransport, bidrar vår forskning även till en bättre förståelse av malmbildning och geotermiska system.

Laborationer anses allmänt vara viktiga i undervisningen av många ämnen inom naturvetenskap och teknik där de ska stödja lärandet av både teori och praktik. Tidigare forskning har emellertid inte helt klarlagt hur laborationer med element av motoriska handlingar bäst kan stödja lärandet, eller vilka underliggande mekanismer som leder till ett förbättrat lärande.

I min forskning vill jag förstå lärandeprocesser för att kunna förbättra undervisning. Programmering och programvara spelar en allt viktigare roll i samhället och mitt fokus har varit på lärande i laboratoriet med nybörjarprogrammerare som studieobjekt.

Min forskning har visat hur snabba växlingar mellan fokus på teori och fokus på hands-on praktik är gynnsamt för lärandet, och vilka olika roller som teori och praktik spelar i lärandeprocessen. Resultaten visar vidare på underliggande mekanismer varför hands-on är gynnsamt för lärandet. Att arbeta hands-on påverkar känslor som självförtroende och stress positivt, samt har gynnsam effekt på långtidsminnet jämfört med att lära hands-off.

Det mänskliga lärandet är beroende av arbetsminnet som tar emot information från våra sinnen. Mina resultat tyder på att motoriska handlingar kan reducera belastningen på arbetsminnet vilket kan vara gynnsamt för lärandet, och att det kan vara känslor som förmedlar den observerade effekten. Resultaten antas vara applicerbara på lärande i laboratorium även utanför programmering.

Materialteknik har alltid varit en central del av människans historia och en förutsättning för utvecklingen av civilisationen – vi uppkallar exempelvis tidsperioder efter vilka material som använts, till exempel stenåldern, bronsåldern och järnåldern. Modern materialvetenskap däremot handlar inte bara om att tillverka material, utan även om att förstå sambandet mellan tillverkningsprocessen, materialets struktur och dess egenskaper.

I min forskning arbetar jag med ytterst tunna material – nanomaterial och tunna filmer för ytbeläggningar – för att styra funktioner hos material. Till skillnad från strukturmaterial, till exempel byggmaterial, är funktionella material sådana där det intressanta är materialets funktion, exempelvis elektriska, magnetiska, optiska eller vissa mekaniska egenskaper. Multifunktionella material är utvalda eller designade för att ha flera funktioner – som till exempel god elektrisk ledningsförmåga, nötningsmotstånd och korrosionsmotstånd.

Anledningen till att en yta beläggs med ett lager av något annat är att ytbeläggningen förändrar egenskaperna och funktionen hos det belagda objektet. Med tunna filmer avses ytbeläggningar tunnare än någon eller några mikrometer (miljondels meter). Antireflexbehandlingen på glasögon och teflonet i stekpannan är några exempel från vardagen. I min forskning använder jag avancerade fysikaliska och kemiska metoder för att skapa nya material med kraftigt förbättrade egenskaper. De används i skärverktyg, elektriska kontakter, batterier, bränsleceller, kärnteknik och mycket annat.

Min forskning i partikelfysik och astropartikelfysik handlar om det allra minsta och det allra största. Exempel är elementarpartiklar och krafterna mellan dem, kosmisk strålning från svarta hål och exploderande stjärnor miljontals ljusår bort, och hur universum som helhet blev som det blev. Målet för forskningsfältet är att förstå materien och naturkrafterna på den mest fundamentala nivån och hur dessa har påverkat universums utveckling efter Big Bang.

Vi har en mycket framgångsrik teori, standardmodellen, som beskriver alla hittills upptäckta partiklar och naturkrafter (utom gravitationen, som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin). Samtidigt vet vi att detta inte kan vara den slutliga teorin eftersom den är ofullständig vid höga energier, inte förklarar gravitationskraften, och inte kan förklara neutrinernas massor eller observationer som universums mörka materia och dess obalans mellan vanlig materia och antimateria.

I min forskning kombinerar jag att konstruera och analysera teorier för ny fysik bortom standardmodellen med att reda ut vad dessa teorier förutsäger för olika experiment, och omvänt att lista ut vad data säger om dessa teorier. Jag studerar i synnerhet den så kallade Higgsbosonens roll och vad vi kan lära oss av den från partikelfysikexperiment, och hur detta hänger ihop med vad som hände i det mycket unga universum. Jag studerar även vad vi kan lära oss om fundamental fysik av observationer av kosmisk strålning, neutriner och gravitationsvågor från kosmos.

Människans nyfikenhet på, och förståelse för, universum i stort som i smått har alltid fascinerat mig. Genom min bakgrund som lärare förstod jag tidigt att olika individer har olika uppfattning kring vår värld och många gånger var det svårt att kommunicera detta för elever och studenter jag mötte så att de förstod. Fysik och astronomi är språket för att kommunicera kunskap kring universum och detta består av så mycket mer än ”bara” talade och skrivna ord. Här används också andra resurser såsom grafer, formler, tabeller, bilder, simuleringar, animeringar, gester, apparater, aktiveter och mycket mer. Att lära sig fysik och astronomi är därför som att lära sig ett nytt språk.

Det finns många olika sätt att studera kommunikationen inom ämnet, och tillhörande lärandeprocesser. I min forskning utgår jag ofta från det teoretiska ramverk som kallas socialsemiotik, där man studerar just kommunikationen inom ett ämne genom alla de olika resurser som används. Min forskning syftar dessutom till att förbättra undervisning och lärande i fysik och astronomi genom att systematiskt undersöka kommunikationen och lärandeprocesserna i ämnena. Jag utforskar frågor som hur kunskap kan spridas och användas på mer produktiva sätt, hur olika digitala hjälpmedel och verktyg kan användas som stöd i undervisningen samt de effekter som sociala och kulturella praktiker har på lärande och hur dessa kommuniceras.

Under de senaste åren har upptäckten av tättbefolkade mikrobiella samhällen i människokroppen – så kallade mikrobiota – revolutionerat vår förståelse för människans fysiologi. Dessa mikrober är många gånger fler än våra egna celler och spelar en avgörande roll för vår hälsa genom komplexa interaktioner med kroppen. Tarmen är den huvudsakliga platsen för metabolisk aktivitet, och mikroberna där producerar en mängd bioaktiva molekyler som antingen kan skada eller gynna oss. För att förstå detta komplexa samspel använder forskare masspektrometribaserad metabolomik, en analytisk kemiteknik för att studera metaboliter.

Traditionella metoder stöter dock på hinder som interferens från provmatriser och svårigheter att upptäcka metaboliter vid låga koncentrationer. I min grupp utvecklar vi nya metoder som kombinerar kemi och biologi för att förbättra analysen av metaboliter med hjälp av masspektrometri. Dessa innovativa metoder använder avancerade kemiska och enzymatiska verktyg. Genom att förbättra masspektrometrisk känslighet kan vi isolera och analysera mikrobiella metaboliter med hög selektivitet. Målet med denna forskning är att upptäcka nya bioaktiva metaboliter från mikrobiomet, inklusive potentiella antibiotika, samt att identifiera biomarkörer för bukspottkörtelcancer och andra sjukdomar där obalanser i mikrobiomet har kopplats till sjukdomsutveckling. Genom att använda en tvärvetenskaplig strategi som kombinerar kemi, biologi och medicinsk forskning, hoppas vi att denna forskning skall avslöja mikrobiotans roll i människosjukdomar.

Många olika strukturer, både i vardagslivet och i forskningen, beskrivs bäst med modeller som innehåller slumpmoment. Exempelvis om hur en smitta sprids, hur relationer i sociala nätverk ser ut eller hur lång tid en sökning i ett datormaterial tar. Speciellt centrala modeller är slumpgrafer och slumpträd, vilka är genererade av slumpprocesser. Vi kan exempelvis tänka oss att personer är i kontakt med någon viss sannolikhet. Jag studerar egenskaper hos dessa modeller. Hur påverkar till exempel kontaktsannolikheten om en sjukdom kan spridas genom hela befolkningen?

Genom att förstå matematiken bättre så kan vi få bättre modeller för verkligheten och förutsäga egenskaper hos de verkliga strukturerna vi studerar. Mitt område, kombinatorisk sannolikhetsteori, ger verktyg för att modellera sådana problem. Jag har forskat mycket om så kallade split-träd, en stor klass av slumpträd som ofta används för att beskriva datoralgoritmer. Speciellt karakteriseras min forskning av att den ger allmänna resultat som kan användas för många, till synes olika, strukturer.

En intressant egenskap hos flera slumpstrukturer är att relativt små förändringar hos sannolikheterna ger stora förändringar totalt. Ett exempel är smittspridning där en liten förändring i immunitet/spridning (till exempel hur många som vaccinerar sig) kan avgöra om en smitta dör ut eller sprider sig. Sådana brytpunkter kallas tröskelvärden och är kopplade till så kallad perkolationsteori som är en viktig del av min forskning.

För att fullt ut kunna förstå människans historia krävs insikt om de genetiska kopplingarna mellan tidigare och nuvarande populationer. I min forskning fördjupar jag mig i människans evolutionära historia och de genetiska anpassningar som gjorts i mänskliga populationer, med särskilt fokus på Afrika. Mitt arbete integrerar genetiska data med arkeologiska och lingvistiska upptäckter för att utforska populationers dynamik. Jag undersöker hur genetisk variation speglar människans långa historia, och hur förändringar i miljö och kultur har påverkat människans evolution.

Jag samarbetar med experter från olika discipliner för att främja vår förståelse för människans historia och använder genetiska data från både modernt och förhistoriskt DNA. En viktig aspekt av mitt arbete involverar populationsgenetiska studier hos afrikanska jägare-samlare och jordbrukande grupper, men också hur jordbruksmetoder spred sig över kontinenten.

Med min forskning strävar jag efter att skapa en omfattande bild av mänsklig förhistoria och anpassning, och mina pågående projekt fortsätter att utmana gränserna för vår förståelse. Genom att integrera nya tekniker, såsom så kallade proteom- och patogenanalyser, ges fördjupade insikter i tidigare mänskliga levnadssätt och migrationer.

Solenergi är en ren och riklig förnybar resurs med potential att ersätta de traditionella fossila bränslen som människor har förlitat sig på i över ett sekel. Att omvandla och lagra solenergi är därför en avgörande vetenskaplig utmaning.

Inspirerad av naturlig fotosyntes fokuserar min forskargrupp på att utveckla organiska material, inklusive molekyler och polymerer, som kan absorbera solenergi. Vi strävar efter att använda den absorberade energin för att producera solbränslen eller solkemikalier från vatten och koldioxid, som är källor för protoner och kolatomer i reaktionerna. Dessa organiska material har justerbara strukturer som gör det möjligt för oss att exakt kontrollera deras optiska egenskaper.

Vi undersöker också organiska nanopartiklar genom att aggregera dessa material för att förbättra ljusupptagningen och laddningsgenereringen i fotokatalytiska reaktioner. Utöver homogena system utvecklar vi också organiska enheter som underlättar produktskillnad för praktiska tillämpningar.