Här avslöjas hemligheter på atomnivå
2022-04-06
Maskinen med de sex spretande strålrören liknar en stålhydra. Med sin längd på drygt 50 meter upptar den större delen av den 750 kvadratmeter underjordiska hallen. Inuti stålarmarna färdas partiklar med förmåga att fånga och förändra det osynliga. Följ med ner till Pelletronacceleratorn i Tandemlaboratoriet.

Foto/bild: Mikael Wallerstedt
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.

alsammansättningar med högre upplösning än
en miljondels millimeter. Foto: Tandemlabb
– 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:
Film: Pelletronacceleratorn vid Tandemlaboratoriet
Publikation: Elemental Depth Profiling of Intact Metal–Organic Framework Single Crystals by Scanning Nuclear Microprobe (2021)
Fler nyheter
-
Lisa Freyhult tilldelas lärarpris från teknisk fysikstudenter
2023-04-27
-
Sommarkurser i fysik 2023
2023-02-17
-
Lyssna till våra nya hedersdoktorer
2023-01-20
-
Nominera till Årets alumn 2023
2023-01-19
-
Benjamin Verbeek är Årets Uppsalastudent 2022
2023-01-13
-
Första anslagen till WISE-projekt vid Uppsala universitet
2022-12-08
-
Tre WISE-projekt till institutionen för fysik och astronomi
2022-12-07
-
10 miljoner i konsolideringsbidrag från Vetenskapsrådet
2022-12-01
-
Lyssna till våra nya professorer
2022-11-14
-
27 miljoner i projekt- och etableringsbidrag från Vetenskapsrådet
2022-11-07
-
Nya hedersdoktorer vid teknisk-naturvetenskapliga fakulteten
2022-10-20
-
61,3 miljoner i projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse
2022-10-14
-
Fem projekt tilldelas 900 000 för pedagogisk förnyelse
2022-10-11
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet bäst i Norden i fysik
2022-08-23
-
Här avslöjas hemligheter på atomnivå
2022-04-06
-
Magnetiska monopoler i universum färre än förväntat
2022-02-03
-
Ångströmbiblioteket flyttar
2022-01-25
-
Wallenbergbidrag till Karin Schönning och Agnese Bissi
2021-12-02
-
44 miljoner i projekt- och etableringsbidrag från Vetenskapsrådet
2021-11-04
-
Uppsala universitet får anslag för forskningsinfrastrukturer
2021-10-05
-
Invigning av EPS Historic Site
2021-08-13
-
Nya utbildningar i teknik och naturvetenskap för framtidens kompetensförsörjning
2021-06-30
-
Digital doktorspromotion
2021-05-27
-
IceCube firar 10 år
2021-05-13
-
Ångströmföreläsningen 2021: Imaging a black hole with the Event Horizon Telescope
2021-05-10
-
Snart börjar SciFest
2021-03-03
-
Välkommen till SciFest – vetenskapsfestival för alla
2021-02-12
-
35 miljoner i projekt- och etableringsbidrag från Vetenskapsrådet
2020-10-29
-
Kandidatprogrammet i fysik ett av de mest populära programmen
2020-07-30
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet bäst i Norden i fysik
2020-07-14
-
Regeringens extra satsningar – så många nya platser får Uppsala universitet
2020-06-30
-
Masterprogram öppnar för sen anmälan
2020-05-29
-
Laborationer på distans
2020-05-11
-
Kompetenshöjning för permitterade naturvetare och ingenjörer
2020-04-24
-
Nya sommarkurser
2020-04-23
-
Pressmeddelande: Universitetet satsar 80 miljoner på teknikmiljö för avancerad forskningsutrustning
2020-02-18
-
Snart svänger det på Ångströmlaboratoriet
2020-01-31
-
Pressmeddelande: Fyra av årets Nobelpristagare föreläser vid Uppsala universitet
2019-12-05
-
Nobelföreläsningar i Uppsala
2019-12-02
-
2019 års installationsföreläsningar och professorsinstallation
2019-11-01
-
41 miljoner i projekt- och etableringsbidrag från Vetenskapsrådet
2019-10-31
-
Nya hedersdoktorer utsedda vid Uppsala universitet
2019-10-16
-
Välkommen att fira kulturnatten med Uppsala universitet
2019-09-10
-
Pressmeddelande: Gustavianum stänger för renovering
2019-09-02
-
Åtta nya teknikutbildningar
2019-06-27
-
Samarbete om beräkningsfysik
2019-06-19
-
Uppsala får Soapbox Science för första gången
2019-05-09
-
Populärt med vetenskap till sjöss
2019-05-07
-
Forskning som det pratats om under 2018
2018-12-21
-
2018 års installationsföreläsningar och professorsinstallation
2018-11-07
-
19 nya hedersdoktorer vid Uppsala universitets fakulteter
2018-10-24
-
Medel till utveckling av instrument, metod och tekniker
2018-10-12
-
78,5 miljoner från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse
2018-10-02
-
Livestreaming av tillkännagivandet av 2018 års Nobelpris i fysik
2018-10-02
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet på plats 39 inom ämnesområdet fysik
2018-08-15
-
Pressmeddelande från Regeringskansliet: Tekniska utbildningar i fokus när högskoleministern besöker Uppsala universitet
2018-08-14
-
Ny stipendiefond för forskarstuderande inrättad
2018-06-04
-
Välkommen till vetenskapsfestivalen SciFest!
2018-03-05
-
Celsiusföreläsning Exoplanet Frontiers: Kepler & the Search for Life Beyond Earth
2018-02-12
-
Pressmeddelande: Öppna föreläsningar: Svindlande långt borta och nära
2018-02-01
-
Pressmeddelande: Nytt skräddarsytt tekniskt-naturvetenskapligt basår
2018-02-01
-
Pressmeddelande: Europeiskt forskningssamarbete söker svaren om universums existens
2018-01-17
-
Ny satsning på Big Science Sweden
2017-12-04
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet på plats 72 inom fysik och astronomi
2017-11-27
-
Höstlovskul för högstadietjejer
2017-10-27
-
Pressmeddelande: Tekniskt-naturvetenskapligt basår firar 25 år
2017-08-30
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet på plats 36 inom ämnesområdet fysik
2017-08-15
-
Nobelpristagare Frank Wilczek föreläste om Time Crystals
2017-05-24
-
Två nya superdatorer stärker viktig forskning
2017-04-25
-
Basår för nyanlända
2017-02-22
-
Cecilia Gustavsson och Lisa Freyhult antagna som excellenta lärare
2017-01-27
-
Medicinsk fysik
2017-01-23
-
Två nya Academy Fellows till institutionen för fysik och astronomi
2016-12-01
-
2016 års installationsföreläsningar och professorsinstallation
2016-11-13
-
46 miljoner till forskning inom fysik och astronomi
2016-11-07
-
John M. Wills ny hedersdoktor i fysik
2016-09-22
-
Upptech – nytt centrum med fokus på teknik
2016-09-09
-
Kandidatprogrammet i fysik bland de svåraste utbildningarna att komma in på vid Uppsala universitet
2016-08-04
-
Stor satsning på forskarskola i neutronspridning leds av Uppsalaforskare
2016-06-21
-
Ny studierektor för grundutbildningen i fysik
2016-04-01
-
Tandemlaboratoriet har en egen hemsida!
2016-02-17
-
Seminarium: He-ion microscopy
2016-02-17
-
Nobelpristagare i fysik kommer till Uppsala universitet 13 dec
2015-12-03
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet på plats 76 inom naturvetenskap
2015-11-20
-
Även naturvetare får del av nationellt institut för avancerade studier
2015-10-26
-
90 miljoner till institutionen för fysik och astronomi
2015-10-08
-
2015 års Kai Siegbahnpris till Professor Giacomo Ghiringhelli
2015-09-14
-
Utdelning av 2015 års Kai Siegbahnpris
2015-09-02
-
Kursstart för 191 nya programstudenter i fysik och astronomi
2015-08-28
-
Ny världsrankning: Uppsala universitet bäst i Sverige i fysik
2015-08-17
-
Tre Research Infrastructure Fellows till institutionen för fysik och astronomi
2015-06-23