Kavli-prisen 2020 til pionerer innen elektronmikroskopi!

Gratulerer til de fire som onsdag 27. mai 2020 ble tildelt Kavli-prisen innen nanovitenskap!

EEn bildekollasj av de 4 prisvinnerne.

Dette er et blogginnnlegg. Meningene som uttrykkes her er forfatterens.

Harald Rose, Max Haider, Ondrej Krivanek og Knut Urban fikk prisen for Ă„ ha realisert sub-ÅngstrĂžm avbildning og kjemisk analyse i transmisjonselektronmikroskopi (TEM) ved hjelp av aberrasjonskorreksjon.

Den fĂžrste TEM-en ble utviklet i 1931, men linsene hadde forbedringspotensial. Dette ble elegant pĂ„pekt av nanoteknologiens far, fysikeren Richard Feynman i hans berĂžmte tale i 1959 ‘There is plenty of room at the bottom’. Han utfordret alle til Ă„ prĂžve Ă„ forbedre linsene i et elektronmikroskop for Ă„ Ăžke opplĂžsningen dramatisk.

I et elektronmikroskop bruker vi elektroner i stedet for lys for â€˜Ă„ se’. Istedenfor glasslinser bruker vi elektromagnetiske linser for Ă„ styre elektronstrĂ„lene. Det Kavli-prisvinnerne har gjort, er Ă„ korrigere disse linsene for sfĂŠriske aberrasjoner slik at elektronstrĂ„lene kan styres med stĂžrre nĂžyaktighet. Dette ligner faktisk pĂ„ det Ă„ bruke briller for Ă„ se bedre, men er mye mer komplisert.
(Samme teknologi ble ogsÄ illustrert i det berÞmte Hubblemikroskopet).

Korrektorer ble fÞrst mulig Ä ettermontere pÄ eksisterende mikroskop og ble tilgjengelig pÄ kommersielle instrumenter rundt seks Är senere.

Historien om aberrasjonskorrigert TEM (pĂ„ engelsk)

Transmisjonselektronmikroskopi (TEM)

Et transmisjonselektronmikroskop brukes til Ä studere materialer med veldig hÞy forstÞrrelse, og se detaljer pÄ nanometer skala. En kan da finne og forstÄ sammenhenger mellom hvordan materialene er bygd opp pÄ atomnivÄ og egenskaper, for eksempel styrke av en legering eller effektivitet og virkningsgrad av solcellematerialer. Avstanden mellom atomer i et fast stoff er typisk 0.2 nanometer.

Med et aberrasjonskorrigert TEM kan vi fÄ en opplÞsning som er mye bedre enn dette. Vi kan forstÞrre flere millioner ganger og avbilde atomstrukturer, grenseflater, gitterfeil og annet med sub-atomÊr opplÞsning. Hvis vi forstÞrrer en hÄndball sÄ mye, vil den bli like stor som hele jordkloden! Det er vanskelig Ä forstÄ dimensjonene her, mikroskopistene gÄr innover i materien akkurat som stjerneforskere gÄr ut i verdensrommet.

Med TEM kan vi forstĂžrre ting vi ikke kan se– tverrsnittet pĂ„ et hĂ„rstrĂ„ er ca ~70 um – koronaviruset er 1000 ganger mindre – forstĂžrrer vi enda 1000 ganger til kan vi ‘se’ atomer!

2 personer jobber pÄ en data lab pÄ ulike apparater.
Tina Bergh and Per Erik Vullum ved et av TEM-apparatene pÄ NTNU i Trondheim, Foto: Lena Knutli

TEM i Norge og Trondheim

Norges fĂžrste aberrasjonskorrigerte TEMer kom til Trondheim og Oslo i 2012 som en del av den nasjonale infrastrukturen NORTEM. Denne er finansiert av Norges forskningsrĂ„d gjennom INFRASTRUKTUR-programmet. NORTEM har tre partnere (NTNU, SINTEF og UiO), med to noder i Trondheim og Oslo. I Trondheim driftes TEMene av Institutt for fysikk ved NV-fakultetet pĂ„ NTNU.

MiljĂžet i Trondheim er Norges stĂžrste. Vi har tre mikroskoper, og toppinstrumentet vĂ„rt er dobbelt aberrasjonskorrigert. Det er et godt samarbeid mellom NTNU og SINTEF gjennom TEM Geminisenteret. I 2019 hadde senteret over 40 hands-on brukere. Disse forskerne ga TEM resultater til 110 prosjekter og bidro i over 50 publikasjoner! Laben har Ă„rlig besĂžk av flere skoleklasser som fĂ„r ‘se atomer live’ i TEM.

Sammen med Europas beste TEM-laber deltar NTNU i det prestisjefulle EU-nettverket ESTEEM3. Siden det snart er ti Ă„r siden NORTEM fikk stĂžtte, er det viktig Ă„ reinvestere i nytt utstyr og detektorer. Derfor sĂžker NORTEM i Ă„r om stĂžtte til en ny generasjon TEM til Norge.

Hva TEM bidrar med

Eksemplene hvor TEM er viktig og bidrar i forskning og industri er mange – TEM bidrar i fagfelt som fysikk, kjemi, materialteknologi, geologi, medisin og nanoteknologi. Å forstĂ„ materialer pĂ„ (sub)nano-nivĂ„ kan bidra i det grĂžnne skiftet og gi Ăžkt bĂŠrekraft i Norge og verden forĂžvrig. Å forstĂ„ avanserte materialer er framtida!

Her er noen materialer vi har jobbet med i TEM Geminisenteret de siste Ă„rene, og hvor TEM spiller en viktig rolle:

  • Aluminiumslegeringer: Her har TEM bidratt til Ă„ finne bedre legeringer, som bĂ„de gir sterkere og lettere bildeler som kan tĂ„le hĂžye temperaturer og produseres mer miljĂžvennlig. Vi har en stor prosjektportefĂžlje med norsk aluminiumsindustri og Hydro aluminium i spissen.
  • Batterimaterialer: Her studerer vi elektrodene samt rĂ„materialene som elektrodene bestĂ„r av. TEM gir oss bedre forstĂ„else for hvordan batterier degraderer og mister kapasitet under bruk.
  • Solceller: Her kan TEM bidra til bĂ„de forbedring av tradisjonelle silisiumsolceller og materialer for nye typer solceller av materialer som vi skal lage i framtida.
  • Lysdioder basert pĂ„ nanotrĂ„der pĂ„ materialet grafen: PĂ„ dette feltet er det viktig Ă„ forstĂ„ bĂ„de vekst av trĂ„der og grenseflater for Ă„ for Ă„ forbedre effektiviteten til LED-lysene.
  • Magnetiske materialer og komplekse oksider: Her er det viktig Ă„ forstĂ„ kompliserte sammenhenger mellom struktur, felt og respons, bĂ„de for Ă„ utvikle ny elektronikk og forstĂ„ fundamental fysikk.
Illustrasjonsbilde/kollage som viser forbedringer ved aberrasjonskorrigert scanning TEM.

Disse bildene viser forbedringer ved aberrasjonskorrigert scanning TEM. I NORTEM-sÞknaden i 2011 var det disse som overbeviste forskningsrÄdet om at Norge trengte nye korrigerte mikroskop. Bildet viser en utfelling (liten partikkel) som bidrar til styrke i en vanlig aluminiumslegering. a) er ukorrigert, mens b) er tatt med et aberrasjonskorrigert mikroskop. Bildene er tatt av Calin Marioara og Chris Boothroyd tilbake i 2010.

Les mer om Kavli-prisen (pĂ„ engelsk)