미래와 지속 가능한 미래를 위한 재료를 위한 초고정밀 이미징, 높은 공간 및 에너지 분해능 분광법 및 현장 전자 현미경

인터뷰 09

에바 올슨
Chalmers University of Technology 물리학과 교수
연구부장, 스웨덴 왕립과학원 회원, 사무총장
국제현미경학회연맹(IFSM)

개요

Eva Olsson의 연구 부서는 국부 구조와 경질 및 연질 물질의 특성 간의 상관 관계 및 제조 매개변수와의 상관 관계를 이해하는 데 중점을 둡니다.
인터페이스는 속성 및 미세 구조 진화에 중요한 영향을 미치기 때문에 특히 중요합니다. 목표는 재료의 속성에 대한 근본적인 이해와 미래의 재료와 맞춤형 속성을 가진 장치를 설계하는 방법에 대한 지식입니다.
연구는 기초 연구에서 응용 연구에 이르기까지 다양하며 학계, 기관 및 산업계의 파트너와 협력하여 수행됩니다. 주요 연구 활동은 첨단 전자 현미경과 현장 기술을 사용하는 이미징, 회절 및 분광법입니다.

내일을 위한 재료 탐색

Olsson 교수는 그녀의 연구 그룹과 함께 다양한 재료에 대한 전문 지식과 이미징, 회절 및 분광학의 실험 기술을 결합합니다. 그들은 함께 가장 진보된 재료 구조의 기능과 역학을 결정하는 원자의 역할과 미래를 위한 재료와 장치를 설계하는 방법에 관한 중요한 질문을 해결하기 위한 전략을 공식화합니다.

실제 연구는 탐정 작업과 같다고 Eva Olsson 교수는 말합니다. 관찰하고, 단서를 찾고, 맥락을 이해하고, 아이디어와 개념을 더욱 발전시킬 수 있는 지식 기반을 구축하는 것입니다. 그것이 흥미롭고 원동력이라고 그녀는 말합니다.

- 저에게 시간은 중요하지 않습니다. XNUMX시에 문을 닫고 다음날까지 과학에 대해 생각하지 않는 것과는 다릅니다. 해야 할 일이 있으면 해야 합니다. 저에게는 실제 연구에 대한 매력과 기쁨이 있어서 자발적으로 계속 연구하고 있습니다.

- 이 연구에서 가장 중요하고 매혹적인 것은 그것이 우리 사회를 보다 지속 가능하고 환경 친화적으로 만드는 데 도움이 된다는 것입니다. Eva Olsson 교수는 말합니다. 우리는 재료를 개선하고 멀티태스킹 기능으로 지능적으로 만들 수 있는 방법에 대한 질문에 답합니다.

Eva Olsson 교수의 야망은 박사 학위를 모으는 것입니다. 뛰어난 기술과 보완적인 전문성을 갖춘 전 세계의 학생 및 포스트 닥. 목표는 이를 홍보하고 네트워크에 통합하여 연구를 위한 국제 플랫폼을 구축하는 것입니다. 이 플랫폼은 지역적으로 뿐만 아니라 다양한 연구 그룹과 협력하여 이루어집니다.

- 한 가지 생각, 같은 생각, 같은 접근 방식을 계속 따르지 않았으면 합니다. 저는 항상 발전이 있는지 확인하고 역동적인 환경을 조성하기를 원합니다. 우리는 학생들과 이곳에 와서 우리와 함께 일하는 젊은 연구원들과의 접촉을 통해 이를 수행합니다. 워크샵을 조직하고 세계 최고의 연구원들을 이곳에 초대함은 물론 전 세계의 다른 그룹을 방문하는 것입니다. 이 모든 것이 우리 모두에게 자극적이고 유익한 연구 환경을 구축할 수 있게 해줍니다.

무엇이 당신에게 영감을 줍니까?

- 토론, 협업, 햇빛, 좋은 커피 한 잔, Eva Olsson 교수는 미소를 지으며 계속 말했습니다.

사람들과의 토론과 상호 작용은 Eva Olsson 교수에게 매우 중요합니다. 경험은 다른 사람들과의 토론에서 훨씬 더 가치가 있을 수 있다고 그녀는 말합니다.

- 다양한 관점에서 주제를 검토하여 친구 및 동료와의 토론에서 앞으로 나아갈 길을 찾는 것은 특권입니다. 다양한 분야에 대한 상세한 지식으로 다면적인 현상을 다룰 수 있는 기회를 갖는다는 것, 그리고 연구팀이나 어떤 관심사를 가지고 있든 상관없이 서로에 대한 존중과 아이디어와 견해를 교환하는 관심이 있다는 사실은 매우 중요하고 보람있는 일입니다. , 그녀는 말한다.

현미경은 다른 차원과 공간에 들어가는 것과 같습니다.

- 현미경으로 정교한 재료 구조를 연구하고 구조와 특성 사이의 상관 관계를 탐구하고 개별 원자의 규모를 훨씬 뛰어넘는 정밀함은 마치 영원과도 같으며 경이로운 우주라고 Eva Olsson 교수는 말합니다.

촉매 작용 — 정밀도의 중요성

촉매는 화학 반응을 일으키거나 가속시키는 물질입니다. 우리 대부분은 아마도 자동차의 촉매 변환기에 대해 가장 먼저 생각할 것입니다. 그러나 촉매는 사회의 여러 영역에서 사용됩니다. 촉매는 모든 화학 물질 및 연료의 90% 이상을 제조하는 데 사용되는 것으로 추정됩니다. 촉매는 어떻게 사용되든 복잡한 원자 프로세스를 통해 작동합니다.

고급 고해상도 전자 현미경과 새로운 유형의 컴퓨터 시뮬레이션을 결합한 Chalmers의 촉매 역량 센터의 프레임워크 내에서 금속 나노입자의 원자 간격에서 피코미터 수준의 변화가 촉매 활성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 나노 입자는 백금으로 구성되어 있으며 정교한 전자 현미경을 사용하여 원자 위치를 결정하는 정확도가 향상되었으며 서브 피코미터 정밀도에 도달하는 것도 가능했습니다. 현미경의 정보를 사용하여 촉매 공정이 원자 거리의 작은 변화에 의해 어떻게 영향을 받는지 정확하게 시뮬레이션할 수 있었습니다. 결과에는 광범위한 의미가 있습니다.

- 당사의 방법은 특정 물질에 국한되지 않고 다양한 촉매 시스템에 적용할 수 있는 일반적인 원리를 기반으로 합니다. 재료를 더 잘 설계할 수 있기 때문에 더 에너지 효율적인 촉매와 더 깨끗한 환경을 얻을 수 있다고 Eva Olsson 교수는 말합니다.

금에 대한 현장 연구 - 새로운 발견

In situ 전자현미경은 원자 수준에 도달하는 작은 규모에서 재료 구조와 특성 사이의 상관 관계를 직접 관찰할 수 있습니다. 연구할 수 있는 중요한 메커니즘의 예는 복잡한 구조의 전하, 열, 액체 및 입자의 수송 특성과 빛, 기계적 변형 및 온도 변화에 의해 유도된 효과입니다.

개별 인터페이스, 결함 및 원자를 포함하는 소규모의 직접적인 상관 관계는 매크로, 마이크로, 나노 및 원자 규모의 재료 특성을 결정하는 데 어떤 미세 구조 구성 요소가 활성인지에 대한 새로운 정보에 대한 액세스를 제공합니다. 높은 공간 분해능으로 인해 거시적 규모의 측정에서 명확하지 않은 메커니즘뿐만 아니라 재료 특성의 새로운 측면도 드러날 수 있습니다. 지식은 관련된 메커니즘의 이해뿐만 아니라 맞춤형 특성을 가진 디자인 또는 재료 및 장치에 대한 이해에도 중요합니다.

표면과 내부 구조의 높은 공간 분해능 이미징 및 분광학에 대한 필요성은 많은 경우 투과 전자 현미경(TEM) 또는 전자 현미경 및 기타 기술의 조합에 의해서만 충족될 수 있습니다. Eva Olsson TEM 교수의 연구 부서는 전하 및 응축 물질의 이동과 전기장, 온도 및 빛이 특성 및 재료 구조에 미치는 영향에 대한 연구를 포함하여 현장 동적 실험 및 조작을 위한 홀더를 개발 및 사용합니다.

현장 연구의 한 가지 예는 금의 표면 구조에 대한 극도로 높은 전기장의 영향입니다. 최고 수준의 배율로 표면을 관찰하고 단계적으로 전기장을 매우 높은 수준으로 증가시켜 새로운 효과를 발견했습니다. 전기장의 영향으로 금 원자는 갑자기 정렬된 구조를 잃고 서로에 대한 거의 모든 연결을 해제했습니다. 더 많은 실험을 통해 연구원들은 실온에서 정돈된 구조와 무질서한 구조, 즉 용융된 구조 사이를 전환하는 것이 가능하다는 사실을 발견했습니다.

금 원자가 이런 식으로 어떻게 구조를 잃을 수 있는지에 대한 발견은 장관일 뿐만 아니라 과학적으로도 획기적입니다. 이론적 계산에 따르면 표면층에 결함이 형성되는 것은 결함을 도입하는 데 필요한 에너지가 낮아지기 때문입니다. 아마도 표면 용융은 소위 저차원 상전이로 볼 수도 있습니다. 이러한 방식으로 금의 표면층을 녹이는 능력은 미래에 다양하고 새로운 실용적인 응용을 가능하게 합니다.

"우리는 표면 원자층의 특성을 제어하고 변경할 수 있기 때문에 다양한 종류의 응용 분야에 대한 문을 열어줍니다. 예를 들어 이 기술은 다양한 유형의 센서, 촉매 및 트랜지스터에 사용될 수 있습니다. 또한 새로운 개념에 대한 기회도 있을 수 있습니다. 비접촉식 구성 요소에 대해"라고 Eva Olsson 교수는 말합니다.

앞으로 가장 흥미로운 도전은?

현재 Eva Olsson 교수의 연구 분야에서 가장 흥미로운 것은 재료 연구 및 재료 물리학에서 새로운 가능성을 열어주는 소프트 현미경의 가능성을 탐구하는 것입니다. 고정밀 및 현장 방법이 추가로 개발될 것입니다. 또한 단색 JEM-ARM200F를 사용하는 고에너지 분해능 전자 에너지 손실 분광법은 예를 들어 포논 및 플라즈몬과의 강한 결합 연구를 위해 매우 낮은 에너지 손실 간격에서 새로운 기회를 제공합니다. 또한 분할된 STEM 검출기는 높은 공간 해상도에서 재료의 전기장 분포에 대한 동적 현장 연구의 가능성을 제공합니다. 이는 양자 기술뿐만 아니라 미래 에너지 수확 및 저장의 추가 개발을 위해 중요합니다. JEOL에서 협업 파트너와의 강력하고 생생한 상호 작용은 서로에게 가장 유익할 것입니다.

- 학계 및 업계 동료들과의 많은 협업 프로젝트 및 상호 작용을 통해 무기 재료의 발전과 병행하여 연성 유기 재료에 대한 관심이 증가하고 있음이 분명합니다. Eva Olsson 교수는 지능형 하이브리드 재료 구조를 개발할 수 있는 능력을 넓힐 수 있는 새로운 접근 방식을 확립하기 위해 도전했다고 설명합니다.

새로운 프로젝트에서는 빛과 물질이 혼합되어 폴라리톤(polaritons)이라고 하는 새로운 구성의 가벼운 물질 준입자를 형성하는 강력한 광물질 결합을 탐구할 것입니다. 이들의 하이브리드 특성은 폴라리톤에게 일련의 흥미로운 광학적 및 전자적 특성을 부여합니다.

- 우리는 독특한 최첨단 능력을 결합하고 빛과 물질 사이의 상호 작용에 대한 새로운 지식을 위한 플랫폼을 구축하기를 기대합니다. Eva Olsson 교수는 시간과 공간의 차원에서 연구하고 이해할 수 있는 것의 한계를 더 깊이 파고들 수 있다고 말합니다.

오늘날의 양자 기술은 극도로 낮은 온도와 고급 실험실이 필요하기 때문에 실온에서 강력한 광물질 결합을 조정하는 것은 중요한 과제입니다. 상온에서 작동할 수 있는 개념을 개발하여 연구자가 원하는 기회를 만들 수 있습니다. 초고속 광 스위치, 양자 정보 및 새로운 에너지 절약 광원과 같은 사회의 새로운 응용 프로그램에 대한 문이 열립니다. 빛과 물질은 우리 주변 어디에나 존재하며 우리 삶에 필수적입니다. 이 새로운 지식은 화학 물질의 반응성과 같은 재료 특성을 사용자 정의하는 데에도 사용할 수 있습니다.

그림 캡션 1. 극도로 높은 전기장의 영향으로 팁에 있는 금 원자의 구조가 결정질 질서에서 무질서한 표면 층으로 전환되는 금 나노콘의 그림. 필드는 레인보우 컬러 스케일로 설명되며 노란색은 청록색에 비해 더 높은 필드를 나타냅니다(이미지 제공: Alexander Ericson).

그림 캡션 2. 용액에서 성장한 금 이중 피라미드 나노입자 컬렉션을 보여주는 환형 암시야 스캐닝 투과 전자 현미경 이미지. 나노입자의 형태와 크기는 용액에서 입자가 성장하는 동안 계면활성제를 사용하여 제어할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 응용 분야에 맞게 나노입자를 조정하고 속성을 조정할 수 있습니다(이미지 제공: Andrew B. Yankovich).

게시일: 2020년 XNUMX월

투과전자현미경(TEM)