Закрыть кнопку

Выберите свой региональный сайт

Закрыть

Сверхвысокоточная визуализация, спектроскопия с высоким пространственным и энергетическим разрешением и электронная микроскопия «in situ» для разработки материалов будущего и устойчивого развития

Ева Олссон

ИНТЕРВЬЮ 09

Ева Олссон
Профессор кафедры физики Технического университета Чалмерса
Председатель исследовательского отдела, член Шведской королевской академии наук, Генеральный секретарь
Международной федерации обществ микроскопии (IFSM)

Введение

Исследовательский отдел Евы Олссон фокусируется на взаимосвязи между локальной структурой, свойствами твердой и мягкой материи, а также параметрами изготовления материалов.
Особый интерес представляют взаимодействия на уровне микрочастиц — из-за значительного влияния на свойства и эволюцию микроструктуры. Цель команды: достичь фундаментального понимания свойств материалов; научиться проектировать материалы завтрашнего дня и устройства с нужными свойствами.
Исследования — от фундаментальных до прикладных — проводятся в сотрудничестве с партнерами из научных кругов, институтов и промышленных предприятий. Основная исследовательская деятельность — визуализация, дифракция и спектроскопия с использованием передовой и современной электронной микроскопии и методов «in situ».

Изучая материалы будущего

Профессор Олссон и ее исследовательская группа комбинируют специальные знания о различных материалах с экспериментальными методиками визуализации, дифракции и спектроскопии. Вместе они обращаются к жизненно важным вопросам о роли атомов в определении функций и динамик наиболее продвинутых материальных структур, а также выясняют, как создавать материалы и устройства завтрашнего дня.

По словам профессора Олссон, реальные исследования напоминают детективное расследование. Внимательно наблюдая, ищешь зацепки. Добившись понимания, выстраиваешь базу знаний. Эти процессы стимулируют дальнейшее развитие идей и концептов. «Все это так волнительно, что становится движущей силой исследований».

«Для меня время не имеет значения. Закрыть дверь в пять часов и забыть о науке до следующего дня — это не по мне. Если что-то нужно сделать, то это нужно делать. Реальное исследование вызывает во мне такое увлечение и такую радость, что я просто стихийно продолжаю работать».

«Самое важное и привлекательное в исследованиях — это возможность внести вклад в создание более устойчивого общества, заботящегося об окружающей среде. Наши исследования отвечают на вопрос: каким образом улучшить материалы так, чтобы создать умный мультизадачный продукт», — заявила профессор Олссон.

Ева Олссон стремится создать исследовательскую среду, участники которой действовали бы по принципу взаимовыручки. Которая объединила бы способных аспирантов и докторов наук, чтобы те восполняли пробелы друг друга. Так можно было бы поддержать, стимулировать молодых ученых, помочь им влиться в исследовательскую сеть, причем не ограничиваясь локальными командами — речь идет и о международных платформах для совместных исследований. Эту амбицию профессор реализует не только организуя интернациональные воркшопы и приглашая лучших мировых исследователей, но и посещая исследовательские группы по всему миру.

«Если замыкаться на одном и том же мышлении, одних и тех же идеях, одних и тех же методах, не будет никакого прогресса. Мы должны продолжать развиваться, создавать динамичную атмосферу в исследованиях. Так мы сможем выстроить вдохновляющую и эффективную исследовательскую среду для ученых».

Что вас вдохновляет?

«Обмен мнениями и сотрудничество. И еще солнечный свет и вкусный кофе», — с улыбкой ответила Олссон.

Важнее всего для нее — дискутировать с разными людьми и вместе работать. Она утверждает, что благодаря дискуссиям полученный опыт обретает еще большую ценность.

«Дискуссии с друзьями и коллегами позволяют изучить объект с различных углов зрения и таким образом продвинуться вперед. Это огромная радость. Я считаю, что очень ценно и важно иметь возможность разобрать многогранное явление, обращаясь к знаниям из разных областей, относиться друг к другу с уважением вне зависимости от позиций внутри команды и активно обмениваться идеями и мнениями», — сказала она.

Электронная микроскопия обладает особым очарованием: она словно пропускает нас в иное измерение, иное пространство.

«Посредством электронного микроскопа ты видишь структуры новейших материалов, расследуешь взаимосвязь структуры и свойства. Это все равно что исследовать вечный, таинственный Космос».

Катализ — важность точности

Катализаторы – это вещества, которые провоцируют либо ускоряют химические реакции. В первую очередь, вероятно, многие вспомнят каталитические нейтрализаторы в автомобилях, но катализаторы используются в самых разных сферах жизни общества: с их помощью производится более 90% химикатов и топливной продукции. Вне зависимости от способов и сфер применения, воздействие катализаторов характеризуется сложными процессами на атомарном уровне.

В Центре компетенций по катализу в Чалмерсе методами передовой электронной микроскопии высокого разрешения и новых типов компьютерного моделирования было обнаружено, что предельно малые — на уровне пикометров — изменения в позициях атомов оказывают влияние на каталитическую активность. Благодаря инновационному электронному микроскопу удалось изучить катализатор из платиновых наночастиц, более точно определив взаимное расположение атомов и достигнув разрешения ниже одного пикометра (один пикометр — это одна миллиардная миллиметра). Методами высокоточной электронной микроскопии ученые сумели создать достоверную симуляцию влияния изменения атомарных позиций на активность катализаторов. По словам профессора Олссон, результаты исследования имеют огромное значение.

«Разработанная нами методика актуальна не только для конкретных материалов — ее можно применять для самых разных катализаторов. Полученные на ее основе знания позволят создать более эффективные катализаторы, на производство которых расходуется меньше энергии, что, в свою очередь, поможет сберечь окружающую среду».

In situ-исследования золота — новые открытия

Техника отслеживания в реальном времени («in situ») позволяет непосредственно наблюдать взаимосвязь между микроструктурой и свойствами материала. В настоящее время пространственное разрешение достигло атомарных масштабов, и с помощью in situ-отслеживания можно увидеть процессы переноса зарядов, тепла, жидкости и частиц; в высоком разрешении наблюдать за кинетическими явлениями, вызванными воздействием света, механических деформаций, изменений температуры.

Полученная таким образом информация раскроет, как элементы микроструктуры — каждая граница раздела, дефекты и атомы — определяют свойства вещества на макро-, микро-, нано- и атомарном уровнях. Электронный микроскоп с высоким пространственным разрешением проливает свет на новые свойства и явления, которые не засечь измерением в макро-масштабе. Без этого не обойтись в проектировании материалов и устройств с уникальными функциями.

Потребность в изображениях с высоким пространственным разрешением и спектроскопии как поверхности, так и внутренней структуры образца в большинстве случаев способна удовлетворить лишь просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) или комбинация электронной микроскопии с другими методиками. В группе профессора Олссон изготавливают уникальные держатели для образцов, разработанные специально для наблюдений in situ в просвечивающих микроскопах. С их помощью можно исследовать явления переноса заряда или массы, а также влияние напряжения электрического поля, изменений температуры, излучения на материю и ее свойства.

Здесь можно привести в пример исследование воздействия электрического поля высокого напряжения на поверхность кристаллов золота. Наблюдая за поверхностями кристаллов золота в атомарном масштабе, ученые постепенно увеличивали напряжение электрического поля. Под влиянием усиленного электрического поля связи между атомами золота начали разрушаться, а кристаллическая решетка стала неупорядоченной, как будто расплавленной. Таким образом было обнаружено, что золото, температура плавления которого превышает тысячу градусов, в комнатной температуре может потерять упорядоченную структуру. Дальнейшие эксперименты показали, что переход от упорядоченной к неупорядоченной структуре является обратимым.

Это открытие не просто поражает воображение — оно имеет эпохальную важность и с научной точки зрения. В целях уточнения выводов исследователи провели теоретические расчеты на основе компьютерной симуляции и в результате пришли к предположению: энергия, необходимая для образования дефектов на поверхности золота, снижается под воздействием электрического поля. Вероятно, плавление поверхности в приведенном эксперименте можно рассматривать как «двумерный фазовый переход». Плавление поверхностного слоя за счет электрического поля в будущем поспособствует реализации различных инновационных проектов.

Как с улыбкой заметила профессор Олссон, «Мы можем контролировать и изменять свойства атомов на поверхностном слое. Это найдет применение в самых разных сферах, будет применимо для сенсоров, катализаторов, транзисторов. А может — и в производстве бесконтактных устройств».

Самые захватывающие испытания впереди?

Сейчас наиболее волнующим направлением в исследованиях профессора Олссон является т. н. “мягкая микроскопия”. Этот вид электронной микроскопии позволяет наблюдать в высоком разрешении наноматериалы, которые легко разрушаются под воздействием электронного луча, двумерные структуры и органические образцы, что открывает новые возможности для материаловедения. Методами мягкой микроскопии группа Олссон исследует генераторы зеленой энергии — например, органические солнечные батареи; некоторые из их исследований станут основой для развития квантовых технологий: источников квантового излучения и сверхскоростных оптических транзисторов, необходимых для устройств связи следующего поколения, и квантовых компьютеров. Высокоточную электронную микроскопию и техники «in situ» ждет дальнейшая эволюция. На оснащенном монохроматором микроскопе JEM-ARM200F можно проводить исследования в области спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS) и изучить явления, при которых потери энергии электронами крайне малы: например, взаимодействие фононов и плазмонов. Новые двери в науку раскрывает и STEM-детектор, позволяющий применять методы EELS в высоком энергетическом разрешении и проводить непосредственные наблюдения за распределением электрических полей внутри проводящих тел в высоком пространственном разрешении. Это важно, в частности, с точки зрения развития технологий сбора и хранения энергии окружающей среды, а также квантовых технологий. Сотрудничество с JEOL в этой области станет взаимовыгодным и плодотворным.

«Благодаря опыту взаимодействия с коллегами из научных и промышленных кругов мы видим, что параллельно с дальнейшим развитием неорганических материалов растет интерес к мягким органическим материалам. Мы взяли на себя задачу разработать новые подходы, которые расширят наши возможности в разработке сложных структур из гибридных материалов», — объясняет профессор Олссон.

Среди ее новых проектов — исследования, касающиеся квантовой запутанности света и материи. Фотон (электромагнитная волна) интенсивно взаимодействует с согласованным колебательным движением атомов (фононы) и коллективными колебаниями электронного газа (плазмоны), и в результате рождается квантово-механическая квазичастица поляритон. За счет двойственной природы света и материи поляритон проявляет необычайно интересные оптические и электрические свойства.

«С нетерпением жду, когда благодаря партнерству с JEOL получится скомбинировать уникальные инновационные аналитические инструменты и выстроить на их базе платформу для получения новых знаний о взаимодействии света и материи. Мы сможем приблизиться к сути материала и раздвинуть границы возможностей будущего», — делится ожиданиями профессор.

Стимулирование взаимодействия света и материи при комнатной температуре — непростой вызов, поскольку сегодняшние квантовые технологии требуют чрезвычайно низких температур и передовых лабораторий. Если ученые отыщут методики, работающие при комнатной температуре, в актуальных сферах появятся новые возможности. Будь то сверхскоростные оптические транзисторы, квантовые ИТ или же инновационные энергосберегающие источники света. Свет и материя существуют повсюду вокруг нас и необходимы для жизни. Новые знания позволят настраивать свойства материалов — например, реакционную способность химических веществ.

ДЖОЛ

Рис. 1. Схема золотого наноконуса, поверхностные атомы на конце которого переходят из упорядоченного в неупорядоченное состояние под воздействием очень сильного электрического поля. Поле показано в цветовой шкале радуги, где желтым цветом обозначено более сильное поле, а бирюзовым — более слабое (изображение предоставлено Александром Эриксоном).

ДЖОЛ

Рис. 2. Кольцевое STEM-изображение в темном поле, демонстрирующее набор наночастиц золота в форме бипирамид, выращенных в растворе. За счет использования поверхностно-активных веществ в ходе роста наночастиц в растворе можно контролировать их морфологию и размер. Морфологический контроль позволяет настраивать свойства наночастиц и адаптировать их под различные цели (изображение предоставлено Эндрю Б. Янковичем).

Ева Олссон

Ева Олссон

профессор кафедры физики Технологического университета Чалмерса, Гётеборг, Швеция; Член Шведской королевской академии наук, класс физики; Генеральный секретарь Международной федерации обществ микроскопии (IFSM).

Окончила Технологический университет Чалмерса, факультет экспериментальной физики. В 1989-1991 гг. числилась в постдокторантуре по направлению физики в центре IBM TJ Watson Research Center, Yorktown Heights, США. Стал доцентом, а затем адъюнкт-профессором Технологического университета Чалмерса, факультет экспериментальной физики. В 1997 г. была назначена профессором Упсальского университета, Лаборатория Ангстрема, а в 2001 г. стала профессором и главой исследовательского подразделения Технологического университета Чалмерса. В 2017 г. служила научным сотрудником Японского общества продвижения в Токийском университете.

Время публикации: январь 2020 г.

Контакты

JEOL предлагает широкий ряд услуг по техническому обслуживанию и ремонту, чтобы наши клиенты могли спокойно и осознанно работать с оборудованием.
Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам!