Før eit nytt legemiddel, databrikke eller batterimateriale kan takast i bruk, må forskarar forstå korleis atom og elektron oppfører seg. Men problemet er at elektrona er så mange, og samspela mellom dei så kompliserte, at sjølv kraftige datamaskiner raskt kjem til kort.
Likevel finst det ein metode som har gjort det mogleg å rekne ut eigenskapane til materiale med imponerande presisjon: tettleiksfunksjonalteori, eller DFT etter det engelske namnet «density-functional theory». Kvart år vert han brukt i titusenvis av vitskaplege studiar innan kjemi, fysikk og materialvitskap.
– Med denne metoden prøver vi å forstå korleis elektron fordeler seg i materiale og molekyl, og kva denne fordelinga fortel oss om eigenskapane deira, seier Bakkestuen, som vart tildelt doktorgraden i ingeniørvitskap ved OsloMet sommaren 2026.
Målet på lang sikt er å kunne føreseie eigenskapane til nye stoff og materiale før dei vert laga i laboratoriet.
Kvifor fungerer metoden så godt?
Sjølv om metoden vert brukt over heile verda, finst det framleis grunnleggjande spørsmål som ikkje er fullt ut forstått.
– Når forskarar brukar metoden i praksis, viser det seg at utrekningane ofte er svært stabile og gjev gode resultat. Men det har vore mindre klart kvifor han fungerer så godt som han gjer, seier Bakkestuen.
Ein viktig del av doktorgradsarbeidet har vore å undersøkje nettopp dette. Målet har ikkje først og fremst vore å lage eit nytt dataprogram eller eit nytt produkt, men å styrkje det matematiske fundamentet for metodane som allereie vert brukte.
– Vi har prøvd å forstå kvifor dei forenklingane som vert brukte i praksis, fungerer så bra.
Doktorgradsarbeidet gjev ikkje eit endeleg svar på kvifor metoden fungerer så godt. Men det gjev eit betre matematisk kart over teorien bak utrekningane og eit klarare bilete av korleis elektronfordelinga heng saman med kreftene som formar henne.
Eit kart i staden for å følgje alle
Elektron spelar nemleg ei avgjerande rolle for nesten alle eigenskapar eit stoff har. Dei påverkar om eit materiale leier straum, korleis det reagerer kjemisk og korleis det vekselverkar med lys.
Men i praksis er det umogleg å halde styr på kvart enkelt elektron i større system. Forskarane nyttar derfor ei smart forenkling. I staden for å følgje alle elektron kvar for seg, lagar dei eit slags kart som viser kvar elektrona mest sannsynleg oppheld seg.
– Dersom vi veit korleis elektrona fordeler seg rundt eit molekyl, kan vi også seie mykje om eigenskapane til molekylet, forklarar Bakkestuen.
Denne framgangsmåten er kjernen i DFT, som i fleire tiår har vore blant dei viktigaste verktøya innan kvantekjemi og moderne materialforsking.
Når lys endrar eigenskapane til stoff
I ein annan del av avhandlinga har Bakkestuen studert situasjonar der lys og stoff, til dømes materiedelar, påverkar kvarandre svært sterkt.
Utviklinga innan laserteknologi og optiske kavitetar dei siste tiåra har gjort det mogleg å undersøkje slike effektar mykje meir detaljert enn før.
Optiske kavitetar er «ekkorom for lys», små rom laga av to eller fleire speglar, eller lysleiande strukturar, som får lys til å gå att og fram mange gongar, slik at berre nokre få fargar/bølgjelengder passar perfekt og vert forsterka.
Forskarar ser no at lys i enkelte tilfelle kan påverke eigenskapane til molekyl og materiale på overraskande måtar, også utan at noko lys er skrudd på, fordi det elektromagnetiske feltet aldri er heilt i ro.
– I prinsippet kan ein bruke lys til å endre kjemiske reaksjonar og eigenskapar i materiale, seier Bakkestuen.
For å undersøkje dette har han brukt enkle modellsystem der ein kan rekne eksakt, og som gjer det mogleg å byggje eit meir solid matematisk rammeverk for slike utrekningar.
Frå observasjon til forklaring
Til vanleg går rekninga éin veg: Ein kjenner kreftene i systemet og reknar ut korleis elektrona fordeler seg.
Men forskarar er ofte opptekne av det motsette problemet: Dei kjenner observasjonane, men ønskjer å finne årsaka bak.
Ein del av doktorgraden handlar om å rekne seg baklengs frå den observerte fordelinga av elektron til dei underliggjande kreftene som skapar henne.
– Det er litt som å prøve å forstå terrenget ved å studere spora som ligg att, forklarar Bakkestuen.
Doktorgradsarbeidet har gjort slike utrekningar meir robuste, og gjev for første gong matematiske grenser for kor stor feilen kan vere.
Kan få mykje å seie langt fram i tid
Forskinga er grunnforsking, og det kan ta mange år før resultata får direkte praktiske konsekvensar. Likevel meiner Bakkestuen at slike studiar er nødvendige dersom vi skal utvikle betre verktøy for framtida.
– Den verkelege draumen er å kunne designe stoff med bestemte eigenskapar på førehand. Då kan ein gå frå prøving og feiling til utrekningar som peikar ut dei mest lovande kandidatane, seier han.
Han peikar på at mykje av teknologien vi tek for gitt i dag, har røter i grunnforsking som i si tid verka svært teoretisk.
– Utan arbeidet med kvantemekanikk for hundre år sidan ville vi ikkje hatt moderne datamaskiner, avansert elektronikk eller mykje av teknologien vi brukar kvar dag.
For Bakkestuen handlar doktorgraden derfor om meir enn matematiske modellar.
– Grunnforsking gjev ikkje alltid raske resultat. Men over tid er det nettopp på denne måten ny kunnskap byggjer grunnlaget for teknologien i framtida.
Referanse
Vebjørn Hallberg Bakkestuen: Mathematical and Theoretical Aspects of Density-Functional Theory. OsloMet Avhandling 2026 nr. 37.
