Fredrik Grønvold og kalorimetriutvikling ved Kjemisk institutt

Jeg ble kjent med Fredrik Grønvold sent i hans karriere, og tidlig i min. 1983 var året, og jeg hadde nytte av ett av hans kalorimetre da jeg studerte magnetiske faseomvandlinger i faste stoffer.

Fredrik Grønvold. Fra katalogen "Vi forsker", 1984. 

Av Svein Stølen, professor i kjemi og rektor ved UiO

Kalorimetri brukes i mange sammenhenger. Som oftest til å bestemme varme-endringer når stoffer reagerer med hverandre, men også i studier av temperaturinduserte endringer i forbindelsers struktur og/eller magnetiske/elektroniske egenskaper. Fredriks kalorimetere var ikke små nette, mer eller mindre automatiske, vaskemaskin-liknende "bokser" av den typen vi finner i utallige laboratorier over hele verden i dag. Dette var en tid hvor et godt kalorimeter kunne kreve et helt rom fylt med avanserte instrumenter. Dagens kalorimetere er faktisk ikke like nøyaktige, men det er en tid for alt.

Viktig vennskap

Fredrik Grønvolds (1924-2015) interesse for kalorimetri ble vekket i USA, hvor han tok sin master of science ved University of Michigan i 1951-1952. Han hadde fått stipend gjennom Norge-Amerikaforeningen. Her møtte Fredrik professor Edgar Fredrik Westrum (1919-2014) som jobbet med kjemisk termodynamikk og utviklet adiabatiske kalorimetere for bestemmelse av varmekapasitet ved lave temperaturer. Vennskapet satte spor etter seg ved Universitetet i Oslo.

Edgar Fredrik Westrum

Edgar, som jeg også ble godt kjent med, ble som så mange vitenskapsmenn i USA av hans generasjon involvert i Manhattan-prosjektet. 1944-1947 jobbet han med kjemien til grunnstoffer tyngre enn uran og deres forbindelser, og spesielt med "selveste" plutonium. Etterhvert fikk han i oppgave å kvantitativt bestemme stabiliteten til actinide forbindelser. Hvor stabile er ulike forbindelser? Og hva skjer dersom ulike stoffer blandes for eksempel under de forholdene som oppstår i en fusjonsprosess? Edgar ble raskt assistant professor ved University of Michigan, og dro omgående til University of California Los Angeles for å utvikle seg videre. Han jobbet der i laboratoriet til Glenn Seaborg, en av de virkelig store. Her ble for alvor Edgars interesse for kjemisk termodynamikk vekket.

Kalorimetri ble lidenskapen

Hva var det Edgar, og etterhvert Fredrik utviklet til nær perfeksjon? Instrumenter som tillot bestemmelse av hvor mye varme som må tilføres et stoff for at stoffets temperatur skal øke med en grad. Kalorimetre som tillot svært nøyaktig bestemmelse av stoffers varmekapasitet. Høres det ut som en teknikk for spesielt interesserte? Høres det trivielt ut?

Denne illustrasjonen viser en tidlig variant av Grønvolds kalorimeter. Tegningen hang innrammet på veggen hans. Foto: Helge Brekke/MUV

 

Vel, det er klart at dette er spesialisert, men det er faktisk av stor viktighet. Det er nok å nevne at et av "bevisene" for at Einsteins kvanteteori var korrekt, krevde nøyaktig bestemmelse av varmekapasiteten til stoffer ved svært lave temperaturer. Dessuten var vitenskapen på Fredrik og Edgars tid, i en periode hvor det var viktig å samle data. Kjenner du varmekapasiteten til et stoff som funksjon av temperatur fra svært lave temperaturer (flytende helium ga Edgar temperaturer på 4.2 K) til romtemperatur, så kan du regne ut entropien til stoffet ved romtemperatur. Vi har mange store tabeller med disse entropiene for ulike stoffer. Disse har ingeniører i hele verden i utstrakt grad benyttet til praktiske beregninger rundt kjemiske reaksjoner. Verden hadde ikke vært den samme uten disse dataene samlet inn gjennom kompliserte, tidskrevende eksperimenter i mange laboratorier i hele verden.

Lavtemperaturkalorimetri

Edgar er og blir eneren innen lavtemperaturkalorimetri. En stor karismatisk mann som også var internasjonalt orientert, og involvert i ulike organisasjoner for fremme av kjemien og termodynamikken. Studentene kalte ham i en periode "the visiting professor from Paris".

Adiabatisk høytemperatur-kalorimetri

På samme måte skulle Fredrik bli eneren innen adiabatisk høytemperatur-kalorimetri. Fredrik var forsiktig og beskjeden, men også internasjonalt orientert - særlig i International Union of Pure and Applied Chemistry. Til tross for ulike personligheter, Fredrik og Edgar utviklet et sterkt samarbeid og vennskap som varte livet ut.

Et særegent reaksjonskalorimeter

Fredriks første konstruksjon ble presentert i 1957: et reaksjonskalorimeter. Her målte han varmeutviklingen når et metall reagerte med en reaktiv væske/gass. Et meget særegent kalorimeter hvor reaksjonen først fant sted når temperaturen ble så høy at en indre glassampulle med væsken ség nok til at det ble et hull i ampullen. Gassen strømmet ut og reagerte med metallet.

Fredrik Grønvold konstruerte og brukte dette kalorimeteret i sin forskning. Det er usikkert om dette er den siste utgaven av kalorimeteret. Foto: Helge Brekke/MUV

En enestående konstruksjon

Seinere utviklet han et dropkalorimeter som målte varmeendringer når faste stoffer ble droppet fra høye temperaturer til en "istermos", og ikke minst et svært nøyaktig adiabatisk høytemperaturkalorimeter. Dette var en enestående konstruksjon, som fortsatt står som den fremste til sitt formål. Det var dette instrumentet, og de studiene han gjorde med dette, som virkelig ga Fredrik et betydelig navn ute i verden.

Store og komplekse instrumenter

Kalorimetrene disse to nestorene konstruerte var store og komplekse, og krevde svært avansert styringsinstrumentering for å sikre tilnærmet adiabatiske forhold. Adiabatiske forhold betyr at det ikke skal være noen varmeutveksling mellom studieobjektet og omgivelsene. Derfor ble studieobjektet omgitt av diverse varmeskjold. Temperaturforskjellen mellom de ulike delene av selve kalorimeteret og disse skjoldene ble målt og kontrollert elektronisk. Flere lag med skjold måtte til. Også her ble temperaturforskjellene målt og kontrollert elektronisk. Resultatet var unikt. I Fredriks kalorimeter kunne temperaturendringer på hundretusendeler av en grad detekteres selv ved så høye temperaturer som 600 grader Celsius.

Fredrik utviklet instrumentering som tydelig satte Oslo på det internasjonale kartet. Det var kun ett annet sted i verden de klarte å utvikle instrumentering med tilsvarende nøyaktighet: Ved USAs National Institute of Standards and Technology (NIST). Det var nesten like bra, men langt mindre brukervennlig.

Internasjonal status

Gitt hvor spesialisert dette temaet er, så var det kanskje ikke unaturlig at Fredrik Grønvold hadde et vel så kjent navn internasjonalt som nasjonalt. Jeg husker første gang vi sammen deltok på en stor internasjonal konferanse. Køen av mennesker som flokket seg rundt en betydelig vitenskapsmann, overrasket meg som ung vitenskapelig assistent. Kanskje var det ikke bare vitenskapen Grønvold skapte som ga ham den statusen han hadde i fagmiljøet, men også hans personlighet. Et skarpt intellekt kombinert med forsiktighet og ydmykhet. Fredrik Grønvold var forsiktig med å heve røsten og alltid presis når noe måtte kritiseres eller utfordres.

Gjester fra Japan

I arkivet etter Grønvold ligger det konstruksjonstegninger med japansk skrift.

Det var mange gjester som besøkte laboratoriene i Oslo. Edgar F. Westrum var selvfølgelig en fast og hjertelig velkommen gjest. I tillegg var det mange, og spesielt japanske forskere, som kom for å se den avanserte instrumenteringen ved selvsyn. Mange prøvde å kopiere instrumenteringen, og spesielt var det forskere fra de store kalorimetrimiljøene i Osaka, Tokyo og Nagoya som var innom laboratoriet.

Avanserte datamaskiner

Selve konstruksjonen var et element, men også instrumenteringen og spesielt styringssystemet var unik. Styringssystemet var basert på det som den gang var avanserte datamaskiner, noe som muliggjorde nye - og for sin tid svært avanserte - metoder for datainnsamling og analyse, og senere styring. Fredrik Grønvold var langt forut for sin tid på dette området.  

Denne datamaskinen var svært avansert da den ble innkjøpt i 1970. Foto: Helge Brekke/MUV

Dette illustreres av Hewlett-Packard maskinen Fredrik kjøpte i 1970. Maskinen hadde 4096 word minne, Fortran var programmeringsspråket, og alt til den nette sum av 86.393,- 1970-kroner. Fredrik var en ordensmann, så vi fant den originale kontrakten med all dokumentasjon.

Kjemisk forståelse var tross alt målet

Instrumenteringen ble en lidenskap, men som professor i uorganisk kjemi var metodene tross alt et redskap for kjemisk forståelse. Fredrik var opptatt av faste stoffers kjemi, og spesielt ikke-støkiometri. Et ionisk stoff er på mange måter enkelt. Salt består av natrium og klor - ett atom av hver sort siden klor sterkt drar til seg et ekstra elektron, mens natrium lett gir slipp på ett. Forbindelsen er støkiometrisk 1:1. I mindre ioniske forbindelser ble avvik fra støkiometri et tema. Hvordan ser krystallstrukturene til ikke-støkiometriske forbindelser ut mikroskopisk? Hvorfor er avvik fra støkiometri energetisk fordelaktig? Dette opptok Fredrik, og dette var i mange sammenhenger av betydelig praktisk betydning.

Uranforbindelser og norsk kjernekraft

Etableringen av Institutt for Atomenergi på Kjeller sammenfalt med Fredriks tidlige karriere. Norge var tidlig ute og sterke krefter jobbet for kjernekraft. Sikker utnyttelse forutsatte kjemisk forståelse av forbindelsene som inngikk i prosessene - ikke minst de som dannes under fusjonen. Uranforbindelser var derfor en klasse av forbindelser Fredrik jobbet mye med.

Innskuddsmetallenes sulfider, selenider og tellurider

Enda større innsats gjorde Fredrik på innskuddsmetallenes sulfider, selenider og tellurider. Komplekse forbindelser med interessante og lite forståtte egenskaper. Studier av magnetisme og faseoverganger krevde et arsenal av karakteriseringsteknikker. Kalorimetri var bare en av mange teknikker og Fredriks tidligste arbeider utnyttet i stor grad røntgendiffraksjonens evne til å bestemme krystallstrukturer nøyaktig.

Meieri i indre Østfold

Men om Fredrik etterhvert holdt seg til kalorimetri som metode, så varierte de kjemiske problemstillingene. Da jeg ble kjent med Fredrik hadde han i en periode jobbet mye med salthydrider for termisk lagring av energi. Han ble her blant annet involvert i et prøveprosjekt hvor et meieri i indre Østfold utnyttet disse stoffene til energieffektivisering.

99.9999 % rene metaller

Etterhvert benyttet han mye tid på å studere hvordan rene metaller smelter. De reneste han fikk tak i. 99.9999 % rene, måtte de være. Men hva betyr de få urenhetene du tross alt aldri blir kvitt? En snever problemstilling, men "trace metall impurities" er et viktig felt når rene metaller brukes som standard for temperaturkalibrering. Fredrik var i nær kontakt med Justervesenet i Norge, men også med de tilsvarende institusjonene i USA (National Institute for Standards and Technology, NIST), Tyskland (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB) og Storbritannia (Laboratory of Government Chemist, LGC). Det sistnevnte laboratoriet kjøpte sågar tjenester av laboratoriet. På 1990-tallet produsert med andre ord Fredrik Grønvold entalpistandarder som LGC solgte til næringslivet globalt.

Tider skal henrulle

Det er en tid for alt. Fredrik hadde ingen problemer med å innse det. Han var med rette stolt av sine konstruksjoner, og oppnådde mye. Han var dog ikke opptatt av at hans vitenskapelige retning nødvendigvis skulle videreføres. Fredrik var dessuten alltid en meget interessert diskusjonspartner når jeg studerte forbindelser ved høye trykk og temperaturer, og når jeg i økende grad viet meg til modellering og beregninger. Jeg har lært mye av Fredrik. Det er mye å lære av Fredrik.

Litteratur:

Grønvold, Frederik 1967: "Adiabatic Calorimeter for the Investigation of Reactive Substances in the Range from 25 to 775°C. Heat Capacity of α-Aluminium Oxide" i Acta Chemica Scandinavica 21 1967.

Av Svein Stølen
Publisert 15. mai 2018 15:38 - Sist endret 15. mai 2018 15:38