Pengimejan Ketepatan Super Tinggi, Spektroskopi Resolusi Spatial dan Tenaga Tinggi dan Mikroskopi Elektron In situ untuk Bahan untuk Esok dan Masa Depan yang Mampan

TEMUDUGA 09

Eva Olsson
Profesor, Jabatan Fizik, Universiti Teknologi Chalmers
Pengerusi Bahagian Penyelidikan, Ahli Akademi Sains Diraja Sweden, Setiausaha Agung
Persekutuan Antarabangsa untuk Mikroskopi (IFSM)

Pengenalan

Bahagian penyelidikan Eva Olsson memberi tumpuan kepada pemahaman korelasi antara struktur tempatan dan sifat bahan keras dan lembut dan juga korelasinya dengan parameter fabrikasi.
Antara muka sangat diminati kerana pengaruhnya yang ketara terhadap sifat dan evolusi mikrostruktur. Matlamatnya ialah pemahaman asas tentang sifat bahan dan pengetahuan tentang cara mereka bentuk bahan untuk hari esok dan peranti dengan sifat yang disesuaikan.
Penyelidikan ini terdiri daripada penyelidikan asas hingga gunaan dan dijalankan dengan kerjasama rakan kongsi dari akademia, institut dan industri. Aktiviti penyelidikan utama ialah pengimejan, pembelauan dan spektroskopi menggunakan mikroskop elektron termaju dan terkini serta teknik in situ.

Meneroka bahan untuk esok

Profesor Olsson, dengan kumpulan penyelidikannya, menggabungkan kepakaran dalam bahan yang berbeza dan teknik eksperimen pengimejan, pembelauan dan spektroskopi. Bersama-sama mereka merumuskan strategi untuk menangani persoalan penting berkenaan peranan atom dalam menentukan fungsi dan dinamik struktur bahan paling maju dan cara mereka bentuk bahan dan peranti untuk hari esok.

Penyelidikan sebenar adalah seperti kerja detektif, kata Profesor Eva Olsson. Ia adalah memerhati, mencari petunjuk, memahami konteks dan membina asas pengetahuan yang memungkinkan untuk mengembangkan idea dan konsep dengan lebih lanjut. Itulah yang mengujakan dan daya penggerak, katanya.

- Bagi saya, masa tidak penting. Tidak pernah seperti saya menutup pintu pada pukul lima, dan tidak memikirkan sains sehingga hari berikutnya. Jika sesuatu perlu dilakukan, maka ia perlu dilakukan. Bagi saya terdapat daya tarikan dan kegembiraan dalam penyelidikan sebenar yang saya teruskan bekerja secara spontan.

- Apa yang paling penting dan menarik tentang penyelidikan ini ialah ia membantu menjadikan masyarakat kita lebih mampan dan mesra alam, kata Profesor Eva Olsson. Kami menjawab soalan tentang cara kami boleh menambah baik bahan dan menjadikannya pintar dengan keupayaan berbilang tugas.

Cita-cita Profesor Eva Olsson adalah untuk mengumpul Ph.D. pelajar dan dokumen pos dari seluruh dunia dengan kemahiran luar biasa dan kepakaran pelengkap. Matlamatnya adalah untuk mempromosikan mereka dan menggabungkannya dalam rangkaian, membina platform antarabangsa untuk penyelidikan, yang berlangsung di dalam negara tetapi juga dengan kerjasama pelbagai kumpulan penyelidikan.

- Saya ingin memastikan bahawa kita tidak sentiasa mengikut satu pemikiran, idea yang sama, pendekatan yang sama. Saya sentiasa mahu memastikan bahawa terdapat pembangunan, bahawa kita mewujudkan persekitaran yang dinamik. Kami melakukan ini melalui hubungan dengan pelajar, dan dengan penyelidik muda yang datang ke sini dan bekerja dengan kami, dengan menganjurkan bengkel dan dengan menjemput penyelidik terkemuka dunia untuk datang ke sini, tetapi juga dengan melawat kumpulan lain di seluruh dunia. Semua ini membolehkan kita membina persekitaran penyelidikan yang merangsang dan bermanfaat kepada kita semua.

Apa yang memberi inspirasi anda?

- Perbincangan, kerjasama, cahaya matahari dan secawan kopi yang enak, kata Profesor Eva Olsson sambil tersenyum sambil meneruskan.

Perbincangan dan interaksi dengan orang ramai adalah sangat penting bagi Profesor Eva Olsson. Pengalaman mungkin lebih bernilai dalam perbincangan dengan orang lain, katanya.

- Ia adalah satu keistimewaan untuk mengkaji topik dari pelbagai sudut pandangan untuk mencari jalan ke hadapan dalam perbincangan dengan rakan dan rakan sekerja. Untuk berpeluang menangani fenomena pelbagai aspek dengan pengetahuan terperinci dalam bidang yang berbeza dan hakikat bahawa terdapat rasa hormat antara satu sama lain dan minat untuk bertukar-tukar idea dan pandangan, tanpa mengira pasukan penyelidik atau apa sahaja yang berkaitan, ia adalah sangat penting dan bermanfaat. , dia berkata.

Mikroskopi adalah seperti memasuki dimensi dan ruang lain.

- Mempelajari struktur bahan yang canggih dalam mikroskop dan meneroka korelasi antara struktur dan sifat, malah melebihi skala atom individu dalam ketepatan– ia seperti keabadian, alam semesta yang mengagumkan, kata Profesor Eva Olsson.

Pemangkinan — kepentingan ketepatan

Pemangkin ialah bahan yang menyebabkan atau mempercepatkan tindak balas kimia. Bagi kebanyakan kita, pemikiran pertama kita mungkin adalah penukar pemangkin dalam kereta, tetapi pemangkin digunakan dalam beberapa bidang masyarakat — telah dianggarkan bahawa pemangkin digunakan dalam pembuatan lebih daripada 90 peratus daripada semua bahan kimia dan bahan api. Tidak kira bagaimana ia digunakan, pemangkin beroperasi melalui proses atom yang kompleks.

Dalam rangka kerja Pusat Kecekapan untuk Pemangkinan di Chalmers yang menggabungkan mikroskop elektron resolusi tinggi termaju dan jenis simulasi komputer baharu, telah ditunjukkan bahawa perubahan aras picometre dalam jarak atom dalam nanozarah logam mempengaruhi aktiviti pemangkin. Nanopartikel terdiri daripada platinum dan menggunakan mikroskop elektron yang canggih ketepatan menentukan kedudukan atom telah dipertingkatkan dan ia juga mungkin untuk mencapai ketepatan sub-pikometer. Menggunakan maklumat daripada mikroskop, adalah mungkin untuk mensimulasikan dengan tepat bagaimana proses pemangkin dipengaruhi oleh perubahan kecil dalam jarak atom. Hasilnya mempunyai implikasi yang luas.

- Kaedah kami tidak terhad kepada bahan khusus tetapi sebaliknya berdasarkan prinsip umum yang boleh digunakan pada sistem pemangkin yang berbeza. Memandangkan kami boleh mereka bentuk bahan dengan lebih baik, kami boleh mendapatkan kedua-dua pemangkin yang lebih cekap tenaga dan persekitaran yang lebih bersih, kata Profesor Eva Olsson.

Kajian in situ tentang emas — penemuan baru

Mikroskopi elektron in situ membolehkan pemerhatian langsung korelasi antara struktur bahan dan sifat pada skala kecil yang mencapai tahap atom. Contoh mekanisme penting yang boleh dikaji ialah sifat pengangkutan cas, haba, cecair dan zarah dalam struktur kompleks dan juga kesan yang disebabkan oleh cahaya, terikan mekanikal dan perubahan suhu.

Korelasi langsung pada skala kecil yang melibatkan antara muka individu, kecacatan dan atom, menyediakan akses kepada maklumat baharu tentang juzuk mikrostruktur yang aktif dalam menentukan sifat bahan pada skala makro, mikro, nano dan atom. Aspek baharu sifat bahan serta mekanisme yang tidak jelas daripada pengukuran pada skala makro juga boleh didedahkan kerana resolusi spatial yang tinggi. Pengetahuan itu penting bukan sahaja untuk memahami mekanisme yang terlibat tetapi juga untuk reka bentuk atau bahan dan peranti dengan sifat yang disesuaikan.

Keperluan untuk pengimejan resolusi spatial tinggi dan spektroskopi kedua-dua permukaan dan struktur dalaman dalam banyak kes hanya boleh dipenuhi dengan mikroskop elektron penghantaran (TEM) atau gabungan mikroskop elektron dan teknik lain. Bahagian penyelidikan Profesor Eva Olsson TEM membangunkan dan menggunakan pemegang untuk eksperimen dan manipulasi dinamik in situ termasuk kajian pengangkutan cas dan jirim pekat dan juga kesan medan elektrik, suhu dan cahaya pada sifat dan struktur bahan.

Satu contoh kajian in situ ialah kesan medan elektrik yang sangat tinggi pada struktur permukaan emas. Kesan baharu ditemui dengan memerhati permukaan pada tahap pembesaran tertinggi dan meningkatkan medan elektrik langkah demi langkah ke tahap yang sangat tinggi. Di bawah pengaruh medan elektrik, atom-atom emas tiba-tiba kehilangan struktur tersusun dan melepaskan hampir semua sambungan mereka antara satu sama lain. Selepas percubaan lanjut, para penyelidik mendapati bahawa ia juga mungkin untuk menukar antara struktur yang teratur dan tidak teratur, iaitu cair, pada suhu bilik.

Penemuan bagaimana atom emas boleh kehilangan strukturnya dengan cara ini bukan sahaja menakjubkan, tetapi juga terobosan saintifik. Pengiraan teori menunjukkan bahawa pembentukan kecacatan pada lapisan permukaan adalah disebabkan oleh penurunan tenaga yang diperlukan untuk memperkenalkan kecacatan. Mungkin, lebur permukaan juga boleh dilihat sebagai peralihan fasa dimensi rendah yang dipanggil. Keupayaan untuk mencairkan lapisan permukaan emas dengan cara ini membolehkan pelbagai aplikasi praktikal baru pada masa hadapan.

"Oleh kerana kita boleh mengawal dan mengubah sifat lapisan atom permukaan, ia membuka pintu untuk pelbagai jenis aplikasi. Contohnya, teknologi boleh digunakan dalam pelbagai jenis penderia, pemangkin dan transistor. Terdapat juga peluang untuk konsep baharu untuk komponen tanpa sentuh," kata Profesor Eva Olsson.

Cabaran paling menarik di hadapan?

Apa yang paling menarik sekarang dalam bidang penyelidikan Profesor Eva Olsson ialah meneroka kemungkinan mikroskopi lembut, kerana ia membuka kemungkinan baharu dalam penyelidikan bahan dan fizik bahan. Kaedah berketepatan tinggi dan in situ akan dikembangkan lagi. Selain itu, spektroskopi kehilangan tenaga elektron resolusi tenaga tinggi menggunakan JEM-ARM200F monokromatik menawarkan peluang baharu dalam selang kehilangan tenaga yang sangat rendah untuk kajian gandingan kuat dengan, contohnya, fonon dan plasmon. Di samping itu, pengesan STEM bersegmen menawarkan kemungkinan kajian in situ dinamik mengenai pengagihan medan elektrik dalam bahan pada resolusi spatial tinggi. Ini penting contohnya untuk pembangunan lanjut penuaian dan penyimpanan tenaga masa hadapan serta teknologi kuantum. Interaksi yang kuat dan jelas dengan rakan kerjasama di JEOL akan membuahkan hasil.

- Jelas daripada banyak projek kerjasama dan interaksi dengan rakan sekerja dalam bidang akademik dan industri bahawa terdapat minat yang semakin meningkat terhadap bahan organik lembut selari dengan bahan bukan organik yang semakin meningkat. Kami telah mengambil cabaran untuk mewujudkan pendekatan baharu untuk meluaskan kebolehan kami untuk membangunkan struktur bahan hibrid pintar, jelas Profesor Eva Olsson.

Dalam projek baharu, gandingan jirim cahaya yang kuat akan diterokai, di mana cahaya dan jirim bercampur untuk membentuk zarah kuasi jirim cahaya komposisi baharu yang dipanggil polariton. Watak hibrid mereka memberikan polariton satu set sifat optik dan elektronik yang menarik.

- Kami berharap dapat menggabungkan kebolehan canggih yang unik dan membina platform untuk pengetahuan baharu tentang interaksi antara cahaya dan jirim. Kita boleh menyelam lebih dalam dan menolak sempadan perkara yang mungkin untuk dipelajari dan difahami dalam dimensi masa dan ruang, kata Profesor Eva Olsson

Menyesuaikan gandingan jirim cahaya yang kuat pada suhu bilik adalah satu cabaran penting, kerana teknologi kuantum hari ini memerlukan suhu yang sangat rendah dan makmal yang canggih. Melalui membangunkan konsep yang boleh berfungsi pada suhu bilik, penyelidik boleh mencipta peluang yang dicari. Pintu terbuka kepada aplikasi baharu dalam masyarakat, seperti suis optik ultra laju, maklumat kuantum dan sumber cahaya penjimatan tenaga baharu. Cahaya dan jirim wujud di mana-mana di sekeliling kita dan penting untuk kehidupan kita. Pengetahuan baharu ini juga boleh digunakan untuk menyesuaikan sifat bahan, contohnya, kereaktifan bahan kimia.

Kapsyen rajah 1. Ilustrasi nanokon emas di mana struktur atom emas di hujung bertukar daripada susunan kristal kepada lapisan permukaan yang tidak teratur di bawah pengaruh medan elektrik yang sangat tinggi. Medan digambarkan dalam skala warna pelangi di mana kuning menunjukkan medan yang lebih tinggi berbanding dengan turquoise (Kredit imej: Alexander Ericson).

Kapsyen rajah 2. Imej mikroskop elektron penghantaran pengimbasan medan gelap anulus menunjukkan koleksi nanozarah bipiramid emas yang ditanam dalam larutan. Morfologi dan saiz nanozarah boleh dikawal dengan menggunakan surfaktan semasa pertumbuhan zarah dalam larutan. Ini membolehkan jahitan nanopartikel untuk aplikasi yang berbeza dan penalaan sifat (Kredit imej: Andrew B. Yankovich).

Disiarkan:Januari 2020

Mikroskop Elektron Penghantaran (TEM)