Kavli-prisen 2020 til pionerer innen elektronmikroskopi!

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

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

Den første TEM-en ble utviklet i 1931, men linsene hadde forbedringspotensial. Dette ble elegant påpekt av nanoteknologiens far, fysikeren Richard Feynman i hans berømte tale i 1959 ‘There is plenty of room at the bottom’. Han utfordret alle til å prøve å forbedre linsene i et elektronmikroskop for å øke oppløsningen dramatisk.

I et elektronmikroskop bruker vi elektroner i stedet for lys for ‘å se’. Istedenfor glasslinser bruker vi elektromagnetiske linser for å styre elektronstrålene. Det Kavli-prisvinnerne har gjort, er å korrigere disse linsene for sfæriske aberrasjoner slik at elektronstrålene kan styres med større nøyaktighet. Dette ligner faktisk på det å bruke briller for å se bedre, men er mye mer komplisert.
(Samme teknologi ble også illustrert i det berømte Hubblemikroskopet).

Korrektorer ble først mulig å ettermontere på eksisterende mikroskop og ble tilgjengelig på kommersielle instrumenter rundt seks år senere.

Historien om aberrasjonskorrigert TEM (på engelsk)

Transmisjonselektronmikroskopi (TEM)

Et transmisjonselektronmikroskop brukes til å studere materialer med veldig høy forstørrelse, og se detaljer på nanometer skala. En kan da finne og forstå sammenhenger mellom hvordan materialene er bygd opp på atomnivå 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 få en oppløsning som er mye bedre enn dette. Vi kan forstørre flere millioner ganger og avbilde atomstrukturer, grenseflater, gitterfeil og annet med sub-atomær oppløsning. Hvis vi forstørrer en håndball så mye, vil den bli like stor som hele jordkloden! Det er vanskelig å forstå dimensjonene her, mikroskopistene går innover i materien akkurat som stjerneforskere går ut i verdensrommet.

Med TEM kan vi forstørre ting vi ikke kan se– tverrsnittet på et hårstrå er ca ~70 um – koronaviruset er 1000 ganger mindre – forstørrer vi enda 1000 ganger til kan vi ‘se’ atomer!

TEM i Norge og Trondheim

Norges første aberrasjonskorrigerte TEMer kom til Trondheim og Oslo i 2012 som en del av den nasjonale infrastrukturen NORTEM. Denne er finansiert av Norges forskningsråd 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 på NTNU.

Miljøet i Trondheim er Norges største. Vi har tre mikroskoper, og toppinstrumentet vårt 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 årlig besøk av flere skoleklasser som får ‘se atomer live’ i TEM.

Sammen med Europas beste TEM-laber deltar NTNU i det prestisjefulle EU-nettverket ESTEEM3. Siden det snart er ti år siden NORTEM fikk støtte, er det viktig å reinvestere i nytt utstyr og detektorer. Derfor søker NORTEM i år om støtte 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 forstå materialer på (sub)nano-nivå kan bidra i det grønne skiftet og gi økt bærekraft i Norge og verden forøvrig. Å forstå avanserte materialer er framtida!

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

• Aluminiumslegeringer: Her har TEM bidratt til å finne bedre legeringer, som både gir sterkere og lettere bildeler som kan tåle høye temperaturer og produseres mer miljøvennlig. Vi har en stor prosjektportefølje med norsk aluminiumsindustri og Hydro aluminium i spissen.
• Batterimaterialer: Her studerer vi elektrodene samt råmaterialene som elektrodene består av. TEM gir oss bedre forståelse for hvordan batterier degraderer og mister kapasitet under bruk.
• Solceller: Her kan TEM bidra til både forbedring av tradisjonelle silisiumsolceller og materialer for nye typer solceller av materialer som vi skal lage i framtida.
• Lysdioder basert på nanotråder på materialet grafen: På dette feltet er det viktig å forstå både vekst av tråder og grenseflater for å for å forbedre effektiviteten til LED-lysene.
• Magnetiske materialer og komplekse oksider: Her er det viktig å forstå kompliserte sammenhenger mellom struktur, felt og respons, både for å utvikle ny elektronikk og forstå fundamental fysikk.

Disse bildene viser forbedringer ved aberrasjonskorrigert scanning TEM. I NORTEM-søknaden i 2011 var det disse som overbeviste forskningsrådet 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 (på engelsk)

Randi Holmestad

Randi Holmestad er professor i fysikk ved NTNU. Hennes fagområde er material- og faststoffysikk. Hun leder TEM (Transmisjonselektronmikroskop) Geminisenter ved NTNU, som er en del av den nasjonale infrastrukturen NORTEM (The Norwegian Centre for Transmission Electron Microscopy).