Сверхвысокоточная визуализация, спектроскопия с высоким пространственным и энергетическим разрешением и электронная микроскопия in situ для материалов завтрашнего дня и устойчивого будущего

ИНТЕРВЬЮ 09

Ева Олссо
Профессор кафедры физики Технологического университета Чалмерса
Председатель исследовательского отдела, член Шведской королевской академии наук, генеральный секретарь
Международная федерация обществ микроскопии (IFSM)

Введение

Исследовательский отдел Евы Олссон фокусируется на понимании корреляции между локальной структурой и свойствами твердого и мягкого материала, а также их корреляции с параметрами изготовления.
Интерфейсы представляют особый интерес из-за их значительного влияния на свойства и эволюцию микроструктуры. Целью является фундаментальное понимание свойств материалов и знание того, как разрабатывать материалы завтрашнего дня и устройства с заданными свойствами.
Исследования варьируются от фундаментальных до прикладных и проводятся в сотрудничестве с партнерами из научных кругов, институтов и промышленности. Основная исследовательская деятельность - визуализация, дифракция и спектроскопия с использованием передовой и современной электронной микроскопии и методов in situ.

Изучаем материалы завтрашнего дня

Профессор Олссон и ее исследовательская группа объединяют опыт работы с различными материалами и экспериментальными методами визуализации, дифракции и спектроскопии. Вместе они формулируют стратегии для решения важнейших вопросов, касающихся роли атомов в определении функций и динамики самых передовых материальных структур и того, как разрабатывать материалы и устройства завтрашнего дня.

По словам профессора Евы Олссон, настоящее исследование похоже на детективную работу. Это наблюдение, поиск подсказок, понимание контекста и создание базы знаний, позволяющей развивать идеи и концепции дальше. Вот что волнует и является движущей силой, говорит она.

- Для меня время не имеет значения. Я никогда не закрываю дверь в пять часов и не думаю о науке до следующего дня. Если что-то нужно сделать, то это нужно сделать. Для меня настоящее исследование вызывает такое увлечение и радость, что я просто спонтанно продолжаю работать.

«Самое важное и увлекательное в этом исследовании — это то, что оно помогает сделать наше общество более устойчивым и экологичным», — говорит профессор Ева Олссон. Мы отвечаем на вопросы о том, как мы можем улучшить материалы и сделать их интеллектуальными с помощью многозадачности.

Амбиции профессора Евы Олссон - собрать докторскую степень. студенты и докторанты со всего мира с исключительными навыками и дополнительным опытом. Цель состоит в том, чтобы продвигать их и объединять в сети, создавая международную платформу для исследований, которые проводятся как на местном уровне, так и в сотрудничестве с различными исследовательскими группами.

- Я хочу убедиться, что мы не следуем постоянно одной мысли, одной и той же идее, одному и тому же подходу. Я всегда хочу, чтобы было развитие, чтобы мы создавали динамичную среду. Мы делаем это посредством контактов со студентами и молодыми исследователями, которые приезжают сюда и работают с нами, организуя семинары и приглашая приехать сюда ведущих мировых исследователей, а также посещая другие группы по всему миру. Все это позволяет нам создавать исследовательскую среду, стимулирующую и приносящую пользу всем нам.

Что вас вдохновляет?

- Обсуждения, сотрудничество, солнечный свет и чашечка хорошего кофе, - продолжает профессор Ева Олссон, улыбаясь.

Обсуждения и взаимодействие с людьми очень важны для профессора Евы Олссон. Опыт может иметь еще большую ценность в обсуждении с другими, говорит она.

- Это привилегия изучить тему с разных точек зрения, чтобы найти путь вперед в обсуждениях с друзьями и коллегами. Иметь возможность обращаться к многогранным явлениям с подробным знанием в разных областях и тем, что есть уважение друг к другу и интерес к обмену идеями и мнениями, независимо от исследовательской группы или чего бы это ни касалось, это невероятно важно и вознаграждает. , она сказала.

Микроскопия подобна входу в другое измерение и пространство.

- Изучение структур сложных материалов под микроскопом и изучение корреляции между структурой и свойствами, даже превышение по точности шкалы отдельных атомов — это как вечность, вселенная, которой можно восхищаться, — говорит профессор Ева Олссон.

Катализ — важность точности

Катализаторы – это материалы, которые вызывают или ускоряют химические реакции. Большинство из нас в первую очередь думают о каталитических нейтрализаторах в автомобилях, но катализаторы используются в ряде сфер жизни общества — было подсчитано, что катализаторы используются в производстве более 90 процентов всех химикатов и топлива. Независимо от того, как они используются, катализаторы действуют через сложные атомные процессы.

В рамках Центра компетенций по катализу в Чалмерсе, сочетающего передовую электронную микроскопию высокого разрешения и новые типы компьютерного моделирования, было показано, что изменения межатомного расстояния в металлических наночастицах на пикометрическом уровне влияют на каталитическую активность. Наночастицы состояли из платины, и с помощью сложных электронных микроскопов точность определения положения атомов была улучшена, и даже удалось достичь субпиметровой точности. Используя информацию с микроскопа, можно было точно смоделировать, как на каталитический процесс влияют небольшие изменения межатомных расстояний. Результаты имеют широкое значение.

- Наши методы не ограничиваются конкретными материалами, а основаны на общих принципах, которые можно применять к различным каталитическим системам. По словам профессора Евы Олссон, поскольку мы можем лучше разрабатывать материалы, мы можем получить как более энергоэффективные катализаторы, так и более чистую окружающую среду.

In situ исследования золота — новые открытия

Электронная микроскопия in situ позволяет прямо наблюдать взаимосвязь между структурой и свойствами материала в малых масштабах, достигающих атомного уровня. Примерами важных механизмов, которые могут быть изучены, являются свойства переноса зарядов, тепла, жидкостей и частиц в сложных структурах, а также эффекты, вызванные светом, механическими напряжениями и изменениями температуры.

Прямая корреляция в малом масштабе с участием отдельных интерфейсов, дефектов и атомов обеспечивает доступ к новой информации о том, какие микроструктурные составляющие активны в определении свойств материала на макро-, микро-, нано- и атомарном уровне. Новые аспекты свойств материалов, а также механизмы, не очевидные из измерений в макромасштабе, также могут быть выявлены благодаря высокому пространственному разрешению. Знание имеет решающее значение не только для понимания задействованных механизмов, но и для проектирования материалов и устройств с заданными свойствами.

Потребность в визуализации с высоким пространственным разрешением и спектроскопии как поверхности, так и внутренней структуры во многих случаях может быть удовлетворена только с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) или комбинации электронной микроскопии и других методов. Исследовательский отдел профессора Евы Олссон TEM разрабатывает и использует держатели для динамических экспериментов и манипуляций in situ, включая исследования переноса зарядов и конденсированных сред, а также влияния электрических полей, температуры и света на свойства и структуру материала.

Одним из примеров исследований in situ является влияние очень сильных электрических полей на структуру поверхности золота. Новый эффект был обнаружен при наблюдении за поверхностью при максимальном увеличении и постепенном увеличении электрического поля до чрезвычайно высоких уровней. Под действием электрического поля атомы золота внезапно потеряли свою упорядоченную структуру и разорвали почти все свои связи друг с другом. После дальнейших экспериментов исследователи обнаружили, что можно также переключаться между упорядоченной и неупорядоченной, т.е. расплавленной, структурой при комнатной температуре.

Открытие того, как атомы золота могут таким образом терять свою структуру, является не только впечатляющим, но и революционным с научной точки зрения. Теоретические расчеты предполагают, что образование дефектов в поверхностных слоях связано со снижением энергии, необходимой для внедрения дефектов. Возможно, поверхностное плавление можно рассматривать и как так называемый низкоразмерный фазовый переход. Способность плавить поверхностные слои золота таким образом открывает новые возможности для практического применения в будущем.

«Поскольку мы можем контролировать и изменять свойства поверхностных слоев атомов, это открывает двери для различных приложений. Например, технология может использоваться в различных типах датчиков, катализаторов и транзисторов. Также могут быть возможности для новых концепций. для бесконтактных компонентов», — говорит профессор Ева Олссон.

Самые захватывающие испытания впереди?

Сейчас самое интересное в области исследований профессора Евы Олссон — это изучение возможностей мягкой микроскопии, потому что она открывает новые возможности в исследовании материалов и физике материалов. Высокоточные методы и методы на месте получат дальнейшее развитие. Кроме того, спектроскопия потерь энергии электронов с высоким энергетическим разрешением с использованием монохроматического JEM-ARM200F открывает новые возможности в области очень низких потерь энергии для исследований сильной связи, например, с фононами и плазмонами. Кроме того, сегментированный STEM-детектор предлагает возможность динамических исследований распределения электрических полей в материалах с высоким пространственным разрешением. Это важно, например, для дальнейшего развития будущего сбора и хранения энергии, а также квантовой технологии. Сильное и яркое взаимодействие с партнерами по сотрудничеству в JEOL будет взаимовыгодным.

- Из многочисленных совместных проектов и взаимодействия с коллегами в научных кругах и промышленности становится ясно, что интерес к мягким органическим материалам растет параллельно с дальнейшим продвижением неорганических материалов. «Мы взяли на себя задачу разработать новые подходы для расширения наших возможностей по разработке интеллектуальных структур из гибридных материалов», — объясняет профессор Ева Олссон.

В новом проекте будет исследована сильная связь света и материи, при которой свет и материя смешиваются, образуя новые композиционные квазичастицы света и материи, называемые поляритонами. Их гибридный характер придает поляритонам ряд интригующих оптических и электронных свойств.

- Мы с нетерпением ждем объединения уникальных передовых возможностей и создания платформы для новых знаний о взаимодействии света и материи. Мы можем погрузиться еще глубже и раздвинуть границы того, что можно изучать и понимать в измерениях времени и пространства, — говорит профессор Ева Олссон.

Создание сильного взаимодействия света и материи при комнатной температуре является важной задачей, поскольку современная квантовая технология требует чрезвычайно низких температур и передовых лабораторий. Разрабатывая концепцию, которая может работать при комнатной температуре, исследователи могут создавать востребованные возможности. Двери открыты для новых приложений в обществе, таких как сверхбыстрые оптические переключатели, квантовая информация и новые энергосберегающие источники света. Свет и материя существуют повсюду вокруг нас и необходимы для нашей жизни. Это новое знание можно также использовать для настройки свойств материалов, например, реактивности химических веществ.

Подпись к рисунку 1. Иллюстрация золотого наноконуса, в котором структура атомов золота на кончике переключается с кристаллического порядка на неупорядоченный поверхностный слой под действием чрезвычайно сильного электрического поля. Поле показано в цветовой шкале радуги, где желтый цвет указывает на более высокое поле по сравнению с бирюзовым (Изображение предоставлено Александром Эриксоном).

Подпись к рисунку 2. Кольцевое изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии в темном поле, показывающее набор наночастиц золотых бипирамид, выращенных в растворе. Морфологию и размер наночастиц можно контролировать, используя поверхностно-активные вещества во время роста частиц в растворе. Это позволяет адаптировать наночастицы для различных приложений и настраивать свойства (Изображение предоставлено Эндрю Б. Янковичем).

Размещено: январь 2020 г.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ, TEM)