การถ่ายภาพด้วยความแม่นยำสูงพิเศษ สเปกโตรสโคปีความละเอียดเชิงพื้นที่และพลังงานสูงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (In situ Electron Microscope) สำหรับวัสดุเพื่ออนาคตและอนาคตที่ยั่งยืน
สัมภาษณ์ 09
อีวา โอลส์สัน
ศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers
ประธานกองวิจัย สมาชิก Royal Academy of Sciences แห่งสวีเดน เลขาธิการ
สหพันธ์สมาคมระหว่างประเทศเพื่อกล้องจุลทรรศน์ (IFSM)
บทนำ
แผนกวิจัยของ Eva Olsson มุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างในท้องถิ่นและคุณสมบัติของสสารที่แข็งและอ่อน และความสัมพันธ์กับพารามิเตอร์การประดิษฐ์
อินเทอร์เฟซมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติและวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาค เป้าหมายคือความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุและความรู้เกี่ยวกับการออกแบบวัสดุสำหรับอนาคตและอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว
การวิจัยมีตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานไปจนถึงการวิจัยประยุกต์ และดำเนินการร่วมกับพันธมิตรจากสถาบันการศึกษา สถาบัน และอุตสาหกรรม กิจกรรมการวิจัยหลักคือการถ่ายภาพ การเลี้ยวเบนและสเปกโตรสโคปีโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบก้าวหน้าและล้ำสมัยและเทคนิคในแหล่งกำเนิด
สำรวจวัสดุสำหรับวันพรุ่งนี้
ศาสตราจารย์โอลส์สันร่วมกับกลุ่มวิจัยของเธอได้ผสมผสานความเชี่ยวชาญในวัสดุต่างๆ และเทคนิคการทดลองด้านภาพ การเลี้ยวเบน และสเปกโทรสโกปี พวกเขาร่วมกันกำหนดกลยุทธ์เพื่อตอบคำถามสำคัญเกี่ยวกับบทบาทของอะตอมในการกำหนดหน้าที่และพลวัตของโครงสร้างวัสดุขั้นสูงสุด และวิธีการออกแบบวัสดุและอุปกรณ์สำหรับอนาคต
งานวิจัยจริงก็เหมือนกับงานนักสืบ ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันกล่าว เป็นการสังเกต ค้นหาเบาะแส ทำความเข้าใจบริบท และสร้างฐานความรู้ที่ทำให้สามารถพัฒนาแนวคิดและแนวคิดต่อไปได้ นั่นคือสิ่งที่น่าตื่นเต้นและเป็นแรงผลักดัน เธอกล่าว
- สำหรับฉัน เวลาไม่สำคัญ ไม่เคยเหมือนฉันปิดประตูตอน XNUMX โมงเย็น และอย่าคิดถึงวิทยาศาสตร์จนกว่าจะถึงวันรุ่งขึ้น ถ้ามีอะไรต้องทำก็ต้องทำ สำหรับฉัน มีความหลงใหลและปิติยินดีในการวิจัยที่เกิดขึ้นจริงซึ่งฉันยังคงทำงานต่อไปอย่างเป็นธรรมชาติ
- สิ่งสำคัญและน่าสนใจที่สุดในการวิจัยคือการช่วยให้สังคมของเรามีความยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันกล่าว เราตอบคำถามเกี่ยวกับวิธีที่เราสามารถปรับปรุงวัสดุและทำให้พวกเขาฉลาดขึ้นด้วยความสามารถในการทำงานหลายอย่างพร้อมกัน
ความทะเยอทะยานของศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันคือการรวบรวมปริญญาเอก นักเรียนและโพสต์เอกสารจากทั่วโลกที่มีทักษะพิเศษและความเชี่ยวชาญเสริม จุดมุ่งหมายคือเพื่อส่งเสริมพวกเขาและรวมไว้ในเครือข่ายสร้างเวทีระหว่างประเทศสำหรับการวิจัยซึ่งเกิดขึ้นทั้งในระดับท้องถิ่น แต่ยังร่วมมือกับกลุ่มวิจัยต่างๆ
- ฉันต้องการให้แน่ใจว่าเราจะไม่ทำตามความคิดเดียว ความคิดเดียวกัน แนวทางเดียวกันอย่างต่อเนื่อง ฉันต้องการให้แน่ใจว่ามีการพัฒนาที่เราสร้างสภาพแวดล้อมแบบไดนามิก เราทำเช่นนี้ผ่านการติดต่อกับนักเรียนและนักวิจัยรุ่นเยาว์ที่มาที่นี่และทำงานร่วมกับเรา โดยการจัดเวิร์กช็อปและการเชิญนักวิจัยชั้นนำของโลกมาที่นี่ แต่ยังไปเยี่ยมกลุ่มอื่นๆ ทั่วโลกด้วย ทั้งหมดนี้ทำให้เราสร้างสภาพแวดล้อมการวิจัยที่กระตุ้นและเป็นประโยชน์ต่อพวกเราทุกคน
เป็นแรงบันดาลใจของคุณคืออะไร?
- การสนทนา ความร่วมมือ แสงแดด และกาแฟดีๆ สักแก้ว ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันกล่าวพร้อมยิ้มขณะที่เธอพูดต่อ
การสนทนาและปฏิสัมพันธ์กับผู้คนมีความสำคัญมากสำหรับศาสตราจารย์อีวา โอลส์สัน ประสบการณ์อาจมีค่ามากกว่าเดิมในการสนทนากับผู้อื่น เธอกล่าว
- เป็นเกียรติอย่างยิ่งที่จะตรวจสอบหัวข้อจากมุมมองต่างๆ เพื่อหาแนวทางในการสนทนากับเพื่อนและเพื่อนร่วมงาน การได้มีโอกาสจัดการกับปรากฏการณ์หลายแง่มุมด้วยความรู้อย่างละเอียดในด้านต่างๆ และการเคารพซึ่งกันและกันและความสนใจในการแลกเปลี่ยนความคิดเห็นและความคิดเห็นโดยไม่คำนึงถึงทีมวิจัยหรืออะไรก็ตามที่อาจเกี่ยวข้อง ถือเป็นเรื่องสำคัญและคุ้มค่าอย่างเหลือเชื่อ , เธอพูดว่า.
กล้องจุลทรรศน์เปรียบเสมือนการเข้าสู่มิติและพื้นที่อื่น
- ศึกษาโครงสร้างวัสดุที่ซับซ้อนในกล้องจุลทรรศน์และสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติ แม้กระทั่งความเที่ยงตรงที่เกินกว่าขนาดของอะตอมแต่ละตัว ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันกล่าวว่า จักรวาลนี้น่าพิศวงเหมือนนิรันดร์กาล
ตัวเร่งปฏิกิริยา — ความสำคัญของความแม่นยำ
ตัวเร่งปฏิกิริยาคือวัสดุที่ก่อให้เกิดหรือเร่งปฏิกิริยาเคมี สำหรับพวกเราส่วนใหญ่ ความคิดแรกของเราน่าจะเป็นเรื่องเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาในรถยนต์ แต่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในหลายพื้นที่ของสังคม — มีการประเมินว่ามีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตสารเคมีและเชื้อเพลิงทั้งหมดมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ ไม่ว่าจะใช้อย่างไร ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำงานผ่านกระบวนการปรมาณูที่ซับซ้อน
ภายในกรอบของศูนย์ความสามารถเพื่อการเร่งปฏิกิริยาที่ Chalmers ซึ่งรวมกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงขั้นสูงและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์รูปแบบใหม่ ๆ พบว่าการเปลี่ยนแปลงระดับ picometre ในการเว้นวรรคอะตอมในอนุภาคนาโนโลหะส่งผลต่อกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยา อนุภาคนาโนประกอบด้วยแพลตตินั่มและใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีความซับซ้อน ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของอะตอมได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น และยังสามารถไปถึงความแม่นยำในระดับย่อยของพิโคเมตรได้อีกด้วย การใช้ข้อมูลจากกล้องจุลทรรศน์ทำให้สามารถจำลองว่ากระบวนการเร่งปฏิกิริยาได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในระยะทางของอะตอมอย่างไร ผลลัพธ์มีความหมายกว้างๆ
- วิธีการของเราไม่ได้จำกัดอยู่แค่วัสดุเฉพาะแต่ใช้หลักการทั่วไปที่สามารถนำไปใช้กับระบบเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันได้ ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันกล่าวว่า เนื่องจากเราสามารถออกแบบวัสดุได้ดีขึ้น เราสามารถได้รับทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประหยัดพลังงานและสภาพแวดล้อมที่สะอาดขึ้น
การศึกษาทองคำในแหล่งกำเนิด — การค้นพบใหม่
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในแหล่งกำเนิดช่วยให้สามารถสังเกตความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างโครงสร้างวัสดุและคุณสมบัติของเครื่องชั่งขนาดเล็กถึงระดับอะตอม ตัวอย่างของกลไกสำคัญที่สามารถศึกษาได้ ได้แก่ คุณสมบัติการขนส่งของประจุ ความร้อน ของเหลว และอนุภาคในโครงสร้างที่ซับซ้อนและผลกระทบที่เกิดจากแสง ความเครียดทางกล และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
ความสัมพันธ์โดยตรงในระดับขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับส่วนต่อประสาน ข้อบกพร่อง และอะตอมแต่ละส่วน ทำให้เข้าถึงข้อมูลใหม่เกี่ยวกับองค์ประกอบโครงสร้างจุลภาคที่ทำงานอยู่ในการกำหนดคุณสมบัติของวัสดุในระดับมาโคร ไมโคร นาโน และอะตอม คุณสมบัติใหม่ของวัสดุรวมถึงกลไกที่ไม่ชัดเจนจากการวัดในระดับมหภาคสามารถเปิดเผยได้เนื่องจากความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ความรู้มีความสำคัญไม่เพียงแต่ในการทำความเข้าใจกลไกที่เกี่ยวข้องเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการออกแบบหรือวัสดุและอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวด้วย
ความจำเป็นในการถ่ายภาพความละเอียดสูงเชิงพื้นที่และสเปกโตรสโคปีของทั้งพื้นผิวและโครงสร้างภายใน ในหลายกรณีสามารถทำได้โดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) หรือการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนร่วมกับเทคนิคอื่นๆ ร่วมกัน แผนกวิจัยของ Professor Eva Olsson TEM ได้พัฒนาและใช้ตัวยึดสำหรับการทดลองและการจัดการแบบไดนามิกในแหล่งกำเนิด รวมถึงการศึกษาการขนส่งประจุและสสารควบแน่น และผลกระทบของสนามไฟฟ้า อุณหภูมิ และแสงต่อคุณสมบัติและโครงสร้างวัสดุ
ตัวอย่างหนึ่งของการศึกษาในแหล่งกำเนิดคือผลกระทบของสนามไฟฟ้าที่สูงมากต่อโครงสร้างพื้นผิวของทองคำ เอฟเฟกต์ใหม่ถูกค้นพบโดยการสังเกตพื้นผิวที่ระดับกำลังขยายสูงสุด และเพิ่มสนามไฟฟ้าทีละขั้นจนถึงระดับที่สูงมาก ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า จู่ๆ อะตอมสีทองก็สูญเสียโครงสร้างที่เป็นระเบียบ และปล่อยการเชื่อมต่อเกือบทั้งหมดของพวกมันออกจากกัน จากการทดลองเพิ่มเติม นักวิจัยค้นพบว่ายังสามารถสลับไปมาระหว่างโครงสร้างที่เป็นระเบียบและเป็นระเบียบ เช่น หลอมเหลวที่อุณหภูมิห้อง
การค้นพบว่าอะตอมของทองคำสามารถสูญเสียโครงสร้างในลักษณะนี้ได้อย่างไร ไม่เพียงแต่น่าตื่นเต้นเท่านั้น แต่ยังเป็นการค้นพบที่แปลกใหม่ทางวิทยาศาสตร์อีกด้วย การคำนวณตามทฤษฎีแนะนำว่าการก่อตัวของข้อบกพร่องในชั้นพื้นผิวนั้นเกิดจากการลดพลังงานที่จำเป็นในการทำให้เกิดข้อบกพร่อง อาจเป็นไปได้ว่าการหลอมเหลวที่พื้นผิวสามารถถูกมองว่าเป็นการเปลี่ยนเฟสมิติต่ำที่เรียกว่า ความสามารถในการละลายชั้นผิวของทองคำในลักษณะนี้ทำให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้จริงในรูปแบบใหม่ๆ ในอนาคต
“เนื่องจากเราสามารถควบคุมและเปลี่ยนคุณสมบัติของชั้นอะตอมของพื้นผิวได้ มันจึงเปิดประตูสำหรับการใช้งานประเภทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีนี้สามารถนำมาใช้กับเซนเซอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา และทรานซิสเตอร์ประเภทต่างๆ นอกจากนี้ยังอาจมีโอกาสสำหรับแนวคิดใหม่ สำหรับส่วนประกอบแบบไร้สัมผัส" ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สัน กล่าว
ความท้าทายที่น่าตื่นเต้นที่สุดข้างหน้า?
สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดในตอนนี้ในสาขาการวิจัยของศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันคือการสำรวจความเป็นไปได้ของกล้องจุลทรรศน์แบบอ่อน เพราะมันเปิดโอกาสใหม่ๆ ในการวิจัยวัสดุและฟิสิกส์ของวัสดุ จะมีการพัฒนาวิธีการที่มีความแม่นยำสูงและในแหล่งกำเนิด นอกจากนี้ สเปกโตรสโคปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนที่มีความละเอียดพลังงานสูงโดยใช้ JEM-ARM200F แบบโมโนโครมยังเสนอโอกาสใหม่ในช่วงเวลาการสูญเสียพลังงานที่ต่ำมากสำหรับการศึกษาการมีเพศสัมพันธ์ที่รุนแรง เช่น โฟนอนและพลาสมอน นอกจากนี้ เครื่องตรวจจับ STEM แบบแบ่งส่วนยังมีความเป็นไปได้ในการศึกษาในแหล่งกำเนิดแบบไดนามิกของการกระจายของสนามไฟฟ้าในวัสดุที่ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง นี่เป็นสิ่งสำคัญเช่นสำหรับการพัฒนาต่อไปของการเก็บเกี่ยวและการจัดเก็บพลังงานในอนาคตตลอดจนเทคโนโลยีควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งและสดใสกับพันธมิตรการทำงานร่วมกันที่ JEOL จะเกิดผลร่วมกันมากที่สุด
- เป็นที่ชัดเจนจากโครงการความร่วมมือมากมายและการปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนร่วมงานในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรมว่ามีความสนใจเพิ่มขึ้นในวัสดุอินทรีย์ที่อ่อนนุ่มควบคู่ไปกับการพัฒนาวัสดุอนินทรีย์ที่ก้าวหน้าต่อไป ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สันอธิบายว่าเราได้ใช้ความท้าทายในการสร้างแนวทางใหม่ๆ เพื่อขยายขีดความสามารถของเราในการพัฒนาโครงสร้างวัสดุไฮบริดอัจฉริยะ
ในโปรเจ็กต์ใหม่ จะมีการสำรวจการมีเพศสัมพันธ์ของสสารเบาที่มีความเข้มข้นสูง โดยที่แสงและสสารผสมกันเพื่อสร้างอนุภาคกึ่งสสารที่มีแสงที่มีองค์ประกอบใหม่ที่เรียกว่าโพลาริทัน ลักษณะไฮบริดทำให้โพลาริตันมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจ
- เราตั้งตารอที่จะผสมผสานความสามารถล้ำสมัยที่ไม่เหมือนใครและสร้างแพลตฟอร์มสำหรับความรู้ใหม่เกี่ยวกับการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสาร เราสามารถดำดิ่งลงไปได้ลึกยิ่งขึ้นและขยายขอบเขตของสิ่งที่สามารถศึกษาและทำความเข้าใจในมิติของเวลาและพื้นที่ได้” ศาสตราจารย์อีวา โอลส์สัน กล่าว
การปรับแต่งคัปเปิลสสารแสงแรงที่อุณหภูมิห้องเป็นความท้าทายที่สำคัญ เนื่องจากเทคโนโลยีควอนตัมในปัจจุบันต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมากและห้องปฏิบัติการขั้นสูง ด้วยการพัฒนาแนวคิดที่สามารถทำงานที่อุณหภูมิห้อง นักวิจัยสามารถสร้างโอกาสที่ต้องการได้ ประตูเปิดกว้างสำหรับการประยุกต์ใช้ใหม่ๆ ในสังคม เช่น สวิตช์ออปติคัลที่เร็วมาก ข้อมูลควอนตัม และแหล่งกำเนิดแสงแบบใหม่ที่ประหยัดพลังงาน แสงสว่างและสสารมีอยู่ทุกที่รอบตัวเรา และจำเป็นต่อชีวิตของเรา ความรู้ใหม่นี้ยังสามารถใช้เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุ เช่น ปฏิกิริยาของสารเคมี
คำบรรยายภาพที่ 1 ภาพประกอบของ nanocone สีทองซึ่งโครงสร้างของอะตอมสีทองที่ส่วนปลายเปลี่ยนจากลำดับของผลึกเป็นชั้นผิวที่ไม่เป็นระเบียบภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่สูงมาก สนามนี้แสดงให้เห็นในระดับสีรุ้งโดยที่สีเหลืองหมายถึงสนามที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับสีเขียวขุ่น (เครดิตภาพ: Alexander Ericson)
รูปที่ 2 ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบวงแหวนมืดแบบวงแหวนแสดงกลุ่มอนุภาคนาโนแบบไบพีระมิดสีทองที่ปลูกในสารละลาย สัณฐานวิทยาและขนาดของอนุภาคนาโนสามารถควบคุมได้โดยใช้สารลดแรงตึงผิวระหว่างการเติบโตของอนุภาคในสารละลาย ซึ่งช่วยให้ปรับแต่งอนุภาคนาโนสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันและการปรับคุณสมบัติ (เครดิตภาพ: Andrew B. Yankovich)
อีวา โอลส์สัน
ศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ Chalmers University of Technology เมืองกอเทนเบิร์ก ประเทศสวีเดน; สมาชิกของ Royal Academy of Sciences แห่งสวีเดน ชั้นเรียนฟิสิกส์; เลขาธิการสหพันธ์สมาคมระหว่างประเทศเพื่อกล้องจุลทรรศน์ (IFSM)
สำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ภาควิชาฟิสิกส์ทดลอง เข้าร่วม Physical Sciences ที่ IBM TJ Watson Research Center, Yorktown Heights, USA ในตำแหน่งปริญญาเอกในปี 1989-1991 ได้เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ รองศาสตราจารย์ที่ Chalmers University of Technology ภาควิชาฟิสิกส์ทดลอง ในปีพ.ศ. 1997 เธอได้รับแต่งตั้งให้เป็นศาสตราจารย์เต็มจำนวนที่มหาวิทยาลัยอัปซาลา ห้องปฏิบัติการอังสตรอม และในปี 2001 เธอได้รับแต่งตั้งให้เป็นศาสตราจารย์เต็มจำนวนที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ซึ่งเธอเป็นหัวหน้าแผนกวิจัย ในปี 2017 เธอเป็นสมาชิกสมาคมส่งเสริมประเทศญี่ปุ่นที่มหาวิทยาลัยโตเกียว
โพสต์:มกราคม 2020