Sveriges nya supermikroskop – för 53 miljoner

Det nya instrumentet finns på Linköpings universitet och visades upp för medier den 12 november. Universitetet beskriver det som Sveriges mest kraftfulla elektronmikroskop och ett av de mest avancerade i världen.

Mikroskopet heter Iliad och kommer från Thermo Fisher Scientific. Det ingår i ARTEMI, Sveriges nationella forskningsinfrastruktur för avancerad elektronmikroskopi, där forskare från flera svenska universitet kan få tillgång till instrumenten.

Kan se hur atomerna ligger i materialet

Ett vanligt ljusmikroskop förstorar ett föremål med hjälp av synligt ljus. Ett transmissionselektronmikroskop använder i stället elektroner, vars mycket kortare våglängd gör att betydligt mindre detaljer kan urskiljas.

Forskarna kan därmed undersöka hur enskilda atomer är arrangerade och hur de binder till varandra. Det kan ge information om varför ett material får vissa elektriska, mekaniska eller kemiska egenskaper och hjälpa forskarna att förstå varför exempelvis ett batterimaterial, en halvledare eller en legering fungerar som den gör.

Vi kommer att kunna utforska material på en detaljnivå som inte varit möjlig tidigare, säger Per Persson, professor i materialfysik vid Linköpings universitet.

Läs mer: Ny svensk teknik kan ge elbilsbatterier längre liv

Kostar 53 miljoner kronor

Planeringen för det nya mikroskopet har pågått i flera år. Upphandlingen blev klar 2024 och prislappen landade på 53 miljoner kronor.

Finansieringen kommer bland annat från Vetenskapsrådet, Linköpings universitet och Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, WISE. Kostnaden steg under processen på grund av bland annat den svaga svenska kronan och högre priser på elektronik efter pandemin.

Det nya instrumentet ersätter elektronmikroskopet Arwen, som installerades i samma byggnad 2011 och då kostade 43 miljoner kronor. Arwen kunde nå en rumslig upplösning på omkring 0,7 ångström, där en ångström motsvarar en tiomiljarddels meter.

LiU uppger att det nya instrumentet överträffar föregångaren både i upplösning och kapacitet, men universitetet har inte publicerat någon fullständig jämförelse som visar exakt hur benämningen ”Sveriges mest kraftfulla” har fastställts mot samtliga andra svenska elektronmikroskop.

Kan skapa 200 terabyte data på en timme

Den stora skillnaden handlar dessutom om mer än hur små detaljer forskarna kan se.

Iliad har avancerade detektorer som kan samla information om både materialets struktur och dess kemiska egenskaper. Flera typer av information kan samlas in parallellt och betydligt snabbare än tidigare.

Det skapar enorma mängder data. Per Persson har tidigare uppgett att det nya instrumentet kan producera mer än 200 terabyte på en timme.

Som jämförelse motsvarar 200 terabyte ungefär 200 000 gigabyte. Det innebär att lagring och analys blir en lika viktig del av infrastrukturen som själva mikroskopet, och LiU samarbetar därför med den svenska superdatorinfrastrukturen NAISS.

Målet är bland annat att kunna bearbeta mätningar medan experimentet fortfarande pågår, så att forskaren kan se resultatet i närmast realtid i stället för att först samla in stora datamängder och analysera dem i efterhand.

Hela huset är byggt för mikroskopet

Ett instrument som arbetar på atomnivå är extremt känsligt för omgivningen. Därför står Iliad inte i ett vanligt laboratorium utan i Ångströmhuset på Campus Valla.

Byggnaden är förankrad direkt i urberget för att minimera vibrationer. Rummet är dessutom omgivet av en Faraday-bur som skyddar mot elektromagnetiska störningar och väggarna består av omkring 30 centimeter betong.

Temperatur, ljud, luftkvalitet och elektromagnetiska fält behöver också hållas under kontroll. Små störningar som normalt inte skulle märkas kan annars påverka en mätning där forskarna försöker skilja detaljer som är mindre än avståndet mellan två närliggande atomer.

Ångströmhuset byggdes redan för det tidigare mikroskopet och stod klart 2011. Det specialbyggda huset har därför kunnat återanvändas när den nya generationens instrument nu flyttar in.

Mikroskopet kan även analysera vad atomerna är

Att kunna se små strukturer är bara en del av poängen. Iliad är även byggt för avancerad spektroskopi, där forskarna kan analysera vilka grundämnen som finns i ett mycket litet område och hur deras elektroner beter sig.

Thermo Fisher beskriver Iliad som ett integrerat sveptransmissionselektronmikroskop med avancerad energi- och spektroskopiteknik. Systemet är dessutom byggt för automatiserade arbetsflöden och kan styras via Python, vilket öppnar för att använda AI i både datainsamling och analys.

Det kan exempelvis hjälpa forskare att hitta mycket små defekter i ett material och samtidigt undersöka hur den kemiska sammansättningen skiljer sig just där.

Läs mer: Här ska AI-styrda drönarsvärmar testas i Sverige

Kan användas för batterier och halvledare

Den typen av analys är relevant inom många områden som i slutänden påverkar vanlig konsumentteknik. Forskare kan bland annat studera material för batterier, halvledare, katalysatorer, energilagring och framtida elektronik.

Elektronmikroskopi används också för att förstå varför material bryts ned eller förändras. Om en batterielektrod tappar prestanda kan forskarna exempelvis undersöka hur strukturen förändrats på atomnivå och vilka kemiska processer som ligger bakom.

Det betyder inte att det nya mikroskopet automatiskt leder till bättre batterier eller snabbare elektronik. Det är i första hand ett forskningsverktyg som gör det möjligt att ställa frågor och genomföra analyser som tidigare varit svåra eller omöjliga i Sverige.

Forskare från hela Sverige får tillgång

Trots placeringen i Linköping är mikroskopet inte enbart till för universitetets egna forskare. Det ingår i ARTEMI tillsammans med elektronmikroskopiverksamheter vid bland annat Chalmers, KTH samt universiteten i Lund, Stockholm och Uppsala.

Tanken är att avancerad utrustning och expertkunskap ska kunna användas nationellt i stället för att varje forskargrupp behöver köpa egna instrument för tiotals miljoner kronor.

Det gör också benämningen Sveriges mest kraftfulla mikroskop mer relevant än bara som en lokal Linköpingsnyhet. Instrumentet står i ett litet specialbyggt hus på Campus Valla, men det är tänkt att användas som en nationell resurs för att undersöka material på en skala där vanliga mikroskop sedan länge har slutat räcka till.