Projektanslag

Atomernas värld ska avbildas i 3D

När forskare uppfann metoder som gjorde att de kunde se in i atomernas värld tog nanovetenskapen fart. Än mer finslipade mikroskop har gjort att forskare idag kan skräddarsy material ner på atomnivå. Nu ska Xiaodong Zou ta elektronmikroskopin till nya djup - bilderna ska bli tredimensionella.

– Att se hur ett material ser ut på atomär nivå är väldigt viktigt för att veta hur materialet kan användas. Känner man inte till strukturen hos materialet är man blind; då kan man bara gissa hur man kan göra saker bättre. Ett materials egenskaper är relaterat till dess struktur, säger Xiaodong Zou, professor i strukturkemi och koordinator för det nya Wallenbergprojektet ”3D Electron Microscopy for Nanostructure Research”.

Hon ger ett exempel. En forskare i projektet, Omar Yaghi vid UC Berkeley, utvecklar material för gaslagring i framtidens bilar. Berkeleyforskarna har utvecklat ett extremt poröst material som gör att det går att packa gasen med mycket högre täthet, samtidigt som trycket i tanken blir mycket lägre. När forskarna nu vill optimera materialet är det nödvändigt att de ser hur hålrummen ser ut och hur atomerna som bygger materialet är ordnade. Först när de vet detta kan de förbättra materialet ytterligare så att det kan lagra ännu mer gas.

Elektronstrålar gör det möjligt att se enskilda atomer

När forskare vill undersöka atomer i ett material fungerar inte vanliga ljusmikroskop, eftersom ljus har en för lång våglängd i förhållande till atomer. Istället för ljus använder forskarna elektronstrålar, med en våglängd på runt 0,002-0,003 nanometer.

– Fördelen med ett elektronmikroskop är att vi kan få bilder med en upplösning på atomnivå; vi kan se enskilda atomer, säger Xiaodong Zou.

Det första elektronmikroskopet utvecklades redan 1931, men då var upplösningen mycket sämre. Först på 1970-talet hade tekniken finslipats så pass mycket att forskare kunde urskilja stora atomer av tungmetaller. Idag har tekniken optimerats så mycket att det går att avbilda alla atomer i ett ordnat material.

Men bilderna har hittills varit tvådimensionella. Målet med det projekt som Xiaodong Zou driver är att ta fram en teknik som gör det möjligt att se hur atomerna är ordnade i tre dimensioner. Forskarna ska kunna placera en kristall av ett material i en speciell hållare i elektronmikroskopet. Sedan ska hållaren automatiskt rotera kristallen med mindre än 0,1 grad i taget, medan mikroskopet avbildar den ur varje vinkel. De tvådimensionella bilderna processas därefter av en dator som pusslar ihop dem till tre dimensioner.

– Vi har jobbat väldigt mycket för att få fram en mjukvara som kan kombinera tvådimensionella bilder till tre dimensioner, säger Xiaodong Zou.

Tekniken ska bli allmänt tillgänglig

Hon har redan bevisat att det går att få fram tredimensionella bilder från ett elektronmikroskop. Första gången tog det sju år. Hennes forskargrupp har sedan optimerat tekniken och nu är den mycket snabbare.

– Idag kan vi lösa en tredimensionell struktur med hjälp elektronmikroskopet på sju timmar istället för på sju år. Den teknik vi använt tidigare var väldigt tidskrävande och resurskrävande. Få personer klarade av detta, säger Xiaodong Zou.

Nu vill hon förenkla och effektivisera mätandet. Vem som helst, som har lite utbildning i elektronmikroskopi, ska kunna få fram tredimensionella bilder på hur atomer sitter ordnade i ett komplicerat material.

– Det ska inte behöva var en expert som sitter och justerar kristallen utan ett datorprogram ska istället styra processen, säger Xiaodong Zou.

Vill utveckla nya material

Tillsammans med medsökande forskare i projektet, vill hon också använda tekniken för att utforska kopplingen mellan ett materials struktur och dess egenskaper. Deras forskning är framförallt inriktad på tre olika slags material. Xiaodong Zou jobbar med porösa material, liknande de som används för gaslagring i bilar. Porösa material går också att använda som katalysatorer för kemiska reaktioner eller för att separera gaser från varandra. Ett mål är till exempel att effektivt kunna separera koldioxid från kvävgas för att rena utsläppen från kolkraftverk.

Andra forskare i projektet är mer intresserade av att studera hur nanopartiklar kan packas tillsammans i nya mönster, och hur defekter i nanopartiklars struktur kan påverka bland annat magnetiska egenskaper eller partiklarnas förmåga att katalysera kemiska reaktioner.
Sist men inte minst är forskare i projektet intresserade av något som kallas för kvasikristaller. Upptäckten av dessa material belönades med Nobelpriset i Kemi 2011, men hur de ser ut på atomnivå, är fortfarande något av en gåta för forskarna. 

– Målet är att våra metoder ska kunna användas för strukturstudier inom många områden. Tillsammans med MAX IV och ESS kan Sverige bli internationellt ledande inom strukturkaraktärisering av material, säger Xiaodong Zou. 

Att förstå material på atomnivå, är nyckeln till modern materialdesign.

Text Ann Fernholm
Bild Magnus Bergström