Här avslöjas hemligheter på atomnivå

Det är svårt att föreställa sig något mer abstrakt än de processer som äger rum i laboratoriet i Ångströmlaboratoriets källare. Att maskinen med sina strålrör har kapacitet att härbärgera spänningar på flera miljoner volt och att partiklar kan växelverka med material inom några femtosekunder – en biljarddel av en sekund – är svårt nog att förstå. Än mer ofattbart är hur forskarna förmår kontrollera och dra slutsatser av de oöverskådliga krafter som sätts i rörelse.

Anledningen till den ansenliga rörlängden ligger i just den eftersträvade hastigheten och därmed högre energin. Med tanke på svårigheterna med att styra partiklar som har så mycket energi behövs stora utrymmen. Det säger Daniel Primetzhofer, professor i tillämpad kärnfysik och föreståndare vid Tandemlaboratoriet.

– Ju högre energi vi ska få på partiklar, ju större måste maskinen vara. Och det är just de höga energierna som kan ge oss maximal information om ett prov, utifrån växelverkan mellan jonpartiklar och provet vi vill analysera.

Utgångspunkten för Pelletronacceleratorn skymtar bakom en vägg uppbyggd av vad som ser ut som stora betongklossar. Innan det går att passera barriären meddelar Daniel att de måste stänga av högspänningen så att ingen kan utsättas för strålning. Efter att denna standardprocedur är avklarad går det bra att passera vidare in bland strålrören.

Med på rundturen är Daniels samarbetspartner Sascha Ott, professor i syntetisk molekylär kemi. I forskarnas senaste projekt, som i höstas publicerades i den ansedda kemitidskriften The Journal of the American Chemical Society, lyckades de mäta en grupp mycket porösa ämnen, så kallade metallorganiska ramverksföreningar, utan att dessa blev förstörda. Sådana skulle kunna ingå i system som kan alstra energirika molekyler från koldioxid och vatten – kort sagt, imitera fotosyntesen.

– För att undersöka Saschas prov med mikrometerstora kristaller skapade vi en partikelstråle genom en gasurladdning i en jonkälla. Sen matade vi in strålen i acceleratorn där partiklarna skickades vidare genom strålröret, berättar Daniel.

Vad som händer i mätstationerna i slutet av de olika rören beskriver han som ett slags biljard med atomkärnor. Ifall de snabba jonerna som riktas mot Saschas kristallprov studsar mot en tyngre atom – som bara finns i så kallade katalytiska säten – kommer jonerna att återvända snabbare. Studsar jonerna på lättare atomer kommer de tillbaka långsammare.

– Vad som också händer är att jonerna studsar på elektronerna i en atom. Då elektronerna är förhållandevis lätta blir konsekvensen för jonerna ungefär som när vi rör oss i barnens bollhav – de bromsas endast sakta in, förklarar Daniel.

Strålrörens detektorer mäter jonernas hastighet och avslöjar vilka grundämnen som finns i provet och var i kristallen de finns. I särskilt fokus för forskarnas intresse står de katalytiska sätena.

– Det är där som kemiska reaktioner sker, säger Sascha. Målet är att kunna introducera speciella katalytiska enheter på olika ställen i kristallerna så att de sen kan användas i exempelvis en elektrolysapparat för vattenspjälkning. Om vi vet exakt var i kristallen våra katalytiska säten befinner sig så kan vi styra de kemiska reaktionerna på bästa sätt.

Daniel nickar.

– Eftersom vi kunnat visa att vi kan mäta fördelningen på dessa enheter inom Saschas kristaller har vi tagit ett avgörande steg mot tillämpningar med hållbarhets- och energifokus som artificiell fotosyntes och/eller framställning av vätgas med hjälp av solljus.

Hur kommer det sig att materialen inte förstörs i acceleratorn?
– För att informationen vi får från partiklarna som kommer tillbaka är så pass entydig att vi inte behöver så många partiklar. Vi skickar ganska få partiklar mot ett prov som fortfarande består av väldigt många atomer. Även om det bara är mikrometerstora kristaller så är det många miljarder atomer i en sån kristall, säger Daniel.

Tandemlaboratoriets samlade utrustning är störst i Norden och de totalt fyra acceleratorerna har ett värde av mer än 250 miljoner kronor. Även om det finns acceleratorlaboratorier i andra nordiska städer så är laboratoriets breda utbud av strålrör och annan mät- och analysutrustning unikt. De sex strålrören som utgör Pelletronacceleratorn har också sina olika specialiteter.

Daniel pekar på ett av rören med ett stort runt fönster.

 – I den kammaren har vi stoppat in grundämnet yttrium som förångas kontrollerat medan vi släpper in vätgas och i ytterligare ett steg också syrgas. Om vi tillför en partikelstråle kan vi exakt följa hur tillväxtprocessen och oxidationen sker. Sen kan vi förändra någon parameter som gör att ämnet får andra egenskaper och på så sätt kan man skräddarsy material med de egenskaper som man vill ha.

Ett företag med ursprung i forskning vid Ångströmlaboratoriet och som regelbundet använt Tandemlaboratoriet är ChromoGenics. De tillverkar så kallade elektrokroma glas för dynamiska eller smarta fönster som består av flera olika skikt och involverar en elektrisk spänning som kan styra ljus- och värmeflöden genom fönstret.

Daniel har i sin egen forskning i samarbete med materialfysiker fokuserat på en variant i form av passiva fotokroma fönster som mörknar när de blir belysta – baserat på just yttrium.

– Då kollar vi på hela livscykeln från syntes till förstörelse till följd av exponering för alltför höga temperaturer. Tack vare specifika detektorer i rörens olika kammare kan vi göra mätningar av enormt hög precision och se hur prover förändras vid exempelvis uppvärmning, säger Daniel.

– Det som också gör arbetet här så fint är att vi hela tiden kombinerar så olika saker som tung infrastruktur med avancerad molekylär kemi och katalys. Med andra ord arbetar vi hela tiden interdisciplinärt. Och det behövs för att öka förståelsen om hur vi kan exempelvis återanvända material, bli av med miljöfarliga ämnen och skapa energieffektiva lösningar för vårt samhälle.

Anneli Björkman

TANDEMLABORATORIET

• Tandemlaboratoriet genomför världsledande forskning med hjälp av avancerad jonstrålebaserad materialanalys och materialmodifiering inom vitt skilda fält, från grundläggande naturvetenskaplig forskning till praktiska tillämpningar för industri och samhälle.
• Laboratoriet är en nationell infrastruktur som stöds av Vetenskapsrådet och Stiftelsen för strategisk forskning.
• Det deltar även som en nod i fusionsforskningsprogrammet Eurofusion, som finansieras av Europeiska kommissionen, med fokus på utveckling av fusionsreaktorer för framtidens energiproduktion. Europeiska kommissionen stödjer också transnationell tillgång till Tandemlaboratoriets utrustning för internationella forskargrupper.

LÄS MER:

Tandemlaboratoriet

Film: Pelletronacceleratorn vid Tandemlaboratoriet

Publikation: Elemental Depth Profiling of Intact Metal–Organic Framework Single Crystals by Scanning Nuclear Microprobe (2021)