Arwen – stöttepelaren i framgångsrik materialforskning

Europas skarpaste elektronmikroskop togs i bruk vid LiU 2011, nu står materialforskare på kö för att få använda Arwen.

materialI kontrollrummet i Ångström huset sitter Justinas Palisaitis orörlig framför en dataskärm. Han granskar koncentrerat det han ser. I det inglasade rummet bredvid honom står elektronmikoskopet Arwen, till synes lika orörlig, men med en ofattbar kraft innanför det svarta skalet.

Justinas Palisaitis är postdoktor inom tunnfilmsfysik och arbetar på institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet. Men i dag är han expert. En grupp vid ett annat svenskt universitet som Justinas samarbetar med har skickat ett prov för analys i elektronmikroskopet. Uppgiften för dagen är att förstå vilka bindningar som finns i det kitt som håller ihop en ny komposit baserad på bor.

- Eftersom vi har både instrumentet och experter skickar många svenska universitet sina prover till oss. Men många utländska universitet är också intresserade av att vi ska hjälpa dem, säger Per Persson, biträdande professor inom tunnfilmsfysik. 

Materialforskare runtom Europa står alltså på kö för att ta Arwens tjänster i bruk och framför allt är det de som sysslar med hårda material som halvledare, keramer och metaller som är intresserade.

Från Lennart Nilsson till nu

På 1950-talet tog Lennart Nilsson sina världsberömda bilder av foster inuti magen med hjälp av ett elektronikmikroskop. Sedan dess har elektronmikroskopin utvecklats avsevärt och användningsområdena inom kemi, medicin och biologi är många. På Linköpings universitet finns sedan 2011 transmissionelektronmikroskopet Arwen som är anpassat för att syna metaller och nya halvledarmaterial ner på atomnivå. Förhoppningen är att man genom att studera material på nanonivå, och få redan på hur de fungerar, ska kunna skapa nya material som kan användas i exempelvis kirurgiska implantat, solceller eller lysdioder. Det är också därför som företag som exempelvis Sandvik och ABB är intresserade av att delta i projekt med Linköpings universitet.

- Framför allt har vi anpassat forskningen på våra traditionella material, men nya material tar mer och mer plats i och med att vi upptäcker vilka möjligheter som finns. Det mest spännande nya material vi jobbar med nu är MXener, en familj av två-dimensionella material med enorm potential för bättre batterier och elektrokemisk lagring, säger Per Persson.

Arwen har hittills varit forskarna behjälpliga i fyra år. Men hur länge kan ett elektronmikroskop egentligen räknas som toppklass?

-Livslängden på en sådan här sak brukar man säga är runt tio år. Men under de åren vi haft Arwen har optiken inte blivit så mycket bättre. Det här är fortfarande ett oerhört vasst instrument och jag ser inte att optiken kommer att utvecklas så mycket under den närmsta tiden, säger Per Persson.

Ett eget hus

ArwenFoto: David Einar Nygren

När det 2011 blev klart att Linköpings universitet skulle få 46 miljoner kronor från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse för att köpa in Arwen började planerandet för var det superkänsliga instrumentet skulle placeras. Man behövde en plats där det var temperaturstabilitet, låga elektromagnetiska fält och där det fanns bergsanknytning.

- Utanför vårt fysikhus var det tolv meter ner till berggrunden. Då hade man behövt ställa mikroskopet på styltor och det kan bli svajigt. Så huset hamnade här borta istället, säger Per Persson och sveper ut med handen över det märkligt formade rummet han står i.

Det nya cirkelformade huset i titanplåt, med lutande väggar för att förhindra eko, ligger lite i utkanten av universitetsområdet, med stabil förankring i berggrunden. Åtminstone fram till nu när ett byggprojekt i närheten börjat orsaka störningar på instrumentet. Men vi har en god kommunikation med byggentreprenörerna. De är särskilt tysta vissa dagar så att vi kan göra känsliga mätningar då.

Syn och hörsel som en alv

Man skulle kunna påstå att Arwen har känsel som en alv, de varelser i J.R.R. Tolkiens sagor som Arwen är döpt efter. Alverna har skarpare syn och hörsel än någon annan varelse vilket passar bra på LiU:s Arwen som kan se ner på atomnivå och är känsligt för låga frekvenser.

- Vi har som tradition att namnge utrustningen efter ett tema, den här omgången döper vi elektronmikroskopen efter alver ur Tolkiens värld. Kanske lite patetiskt, men ibland har vi fritid, skrattar Per Persson.

Justinas Palisaitis suckar framför sin skärm. Provet han har fått skickat till sig håller inte tillräckligt god kvalitet. Ett vanligt problem, enligt Per Persson.

- Det är inte längre instrumenten som sätter begränsningar, utan proverna som vi tittar på. Provberedning är ett mekaniskt handarbete som man lär sig som doktorand. Det kräver fingertoppskänsla och är grunden för att man ska kunna få ut den information man hoppats på. Utan välgjorda prover går det inte att utnyttja den extra kraften hos ett mikroskop som Arwen.

Faktaruta:

  • Arwen är av typen Titan3 60-300, vilket betyder att spänningen är mellan 60 till 300 kV.
  • Mikroskopet har anpassats till LiU:s krav så att det nu arbetar från 60 kV, vilket gör det möjligt att studera de tvådimensionella materialen grafen och MXene.
  • Från en ”kanon” i mikroskopets topp avfyras en energirik elektronstråle som fokuseras till en liten punkt med hjälp av elektromagnetiska linser. Elektroderna träffar provet med en fart nära ljusets. Vid provet sitter en detektor som registrerar vilka atomslag som ingår. En spektrometer i botten mäter hur mycket energi elektroderna tappar på vägen genom provet, data som säger forskarna vilka de kemiska bindningarna är.