Uusi tutkimusinfrastruktuuri mahdollistaa materiaalien tutkimuksen atomitasolla Oulun yliopistossa
Uudet laitteet Oulun yliopistolla – APXPS (Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy) ja APT (Atom Probe Tomography) – tarjoavat tutkijoille valmiudet tutkia materiaaleja ja prosesseja pienessä mittakaavassa aina atomitasolle asti. Tällaista tutkimusta voidaan soveltaa useilla aloilla, esimerkiksi materiaalitekniikassa, metallurgiassa, energiantuotannossa ja –kulutuksessa sekä akkuteknologiassa.
Laitteisto on osa laajaa yhteistyöhanketta, jossa ovat mukana Euroopan unioni, Suomen Akatemia, Oulun yliopisto, VTT ja Tampereen yliopisto. Kahden infrastruktuurihankkeen – H2MIRI (Hub for Hydrogen-Materials Interactions Research Infrastructures) ja OperaRI (Operando Research Infrastructure for Energy Materials and Systems) – tavoitteena on luoda yhteinen tutkimusympäristö Suomeen.
Laadukas laitteisto mahdollistaa korkeatasoisen tutkimuksen
Sekä APXPS että APT ovat ainutlaatuisia laitteita Suomessa – lähimmät vastaavat laitteistot löytyvät Ruotsista ja muualta Euroopasta.
Hankinnat tuovat merkittävää etua tutkimukselle, sillä yliopiston tutkijat voivat nyt kerätä aineistoa molemmilla laitteilla saman katon alla ilman, että tarvitsee turvautua toisessa maassa ja tutkimuslaitoksessa tehtyihin mittauksiin.
Molemmat mittalaitteet tuottavat erittäin korkean resoluution tietoa, ja huipputason ominaisuudet mahdollistavat maailmanluokan tutkimuksen, sanoo apulaisprofessori Vahid Javaheri, Microstructure and Mechanisms -tutkimusryhmän johtaja.
"Empiirisissä tieteissä, kuten materiaalitieteissä, tutkimuksen laatu lähtee luonnollisesti tutkijoista, mutta myös käytössä olevilla laitteilla on suuri merkitys. Huonoilla työkaluilla ei voi saada hyviä tuloksia. Tämä laitteisto mahdollistaa hyvin korkeatasoista tutkimusta, jota voidaan myös julkaista maailman johtavissa tiedelehdissä,” Javaheri selittää.
APXPS-laitteistolla voidaan tutkia materiaalia in situ and operando eli niiden tyypillisessä käyttöympäristössä ja prosessien aikana. APXPS voi tutkia näytteitä esimerkiksi ilmakehän paineessa, joka vastaa maapallon normaaleja olosuhteita. Muut menetelmät vaativat yleensä näytteiden sijoittamista (ultra)tyhjiöön, joka ei vastaa todellisia sovelluksia ja tilanteita. Operando tarkoittaa, että voidaan esimerkiksi tutkia kemiallisia reaktioita niiden tapahtuessa, kuten akun lataus- tai purkutilanteessa.
Teoriasta käytännön sovelluksiin
Yksinkertaisesti ilmaistuna APXPS on menetelmä, jossa kiinteää materiaalia, esimerkiksi nikkeliä, pommitetaan valolla – tässä tapauksessa röntgensäteillä. Riittävän energian kohdistaminen materiaaliin irrottaa sen pinnalta elektroneja, ja näiden elektronien kineettisen energian mittaaminen paljastaa tietoa näytteestä.
"Tämä tekniikka perustuu valosähköiseen ilmiöön, jonka jo Albert Einstein selitti aikanaan. Pystymme tällä tekniikalla tunnistamaan kaikki näytteessä olevat alkuaineet ja niiden kemialliset ympäristöt. Se mahdollistaa teoreettisten kvanttimekaanisten mallien todentamisen käytännössä sekä materiaalien kemiallisen koostumuksen muutosten havainnoinnin lähes todellisissa olosuhteissa," sanoo erikoistutkija Samuli Urpelainen Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksiköstä.
APXPS-tekniikan yleistyttyä julkaisujen määrä on kasvanut nopeasti 2000-luvun alusta lähtien. Laitteita on maailmassa vain muutamia kymmeniä, ja Urpelaisen mukaan Oulun laitteisto on maailman pohjoisin APXPS-laite. Oulun yliopistossa tehdään paljon tutkimusta, kuten metallurgia ja vetytutkimus, joka hyötyy suoraan tästä tekniikasta.
"Terästeollisuus etsii keinoja estää korroosiota esimerkiksi vetypolttokennoissa, jotka ovat hyvin aggressiivinen ympäristö. Kun vety ja vesi yhdistyvät korkeassa lämpötilassa, syntyy monia kemiallisia reaktioita, jotka hapettavat ja syövyttävät terästä. Tällaisia ilmiöitä olisi hyvin vaikea, ellei mahdoton, tutkia muilla menetelmillä," sanoo Urpelainen.
Toinen esimerkki on puolijohdeteollisuus ja atomikerroskasvatus (ALD), jota käytetään mikrosirujen valmistuksessa. Teorian mukaan metallipinta voidaan hapettaa kaasun avulla niin, että jäljelle jää metallin oksidi.
"Teoriassa voidaan tuottaa metallin oksidi, jonka paksuus on vain yhden atomikerroksen verran. Jos tarvitaan viisi kerrosta, prosessi toistetaan viisi kertaa. Käytännössä kuitenkin tapahtuu muita reaktioita, ja tämän tutkimisessa APXPS on erittäin tehokas työkalu," Urpelainen sanoo.
Mitä tarkemmin katsotaan, sitä monimutkaisemmaksi kaikki muuttuu
Tällainen atomitason tarkastelu on keskeistä esimerkiksi kestävämmän teräksen kehittämisessä. Materiaali-ja konetekniikan yksikön johtaja, professori Jukka Kömi kertoo, että terästeollisuus tutkii metalleja yhä tarkemmin.
”He – ja me – tarvitsemme syvällistä ymmärrystä. Atomikerros on hyvin haastava, ja teollisuus pyrkii ymmärtämään yksittäisten atomien tai atomiryhmien roolia sadan tonnin teräsmassassa. Teräs on pääasiassa raudan ja hiilen seos, ja eri käyttökohteisiin lisätään muita seoksia. Ruostumaton teräs sisältää esimerkiksi myös nikkeliä ja kromia. Kaikki seokset pitää ymmärtää ja kartoittaa,” Kömi sanoo.
APT on massaspektrometri, joka on lajissaan ainutlaatuinen. APT mahdollistaa kolmiulotteisen atomijakaumamallin luomisen kiinteästä materiaalista soveltamalla useiden kilovolttien jännitteitä nanoskaalan näytteeseen ja irrottamalla ioneja sen pinnalta. Laitteen resoluutio on erittäin korkea, joten sillä voidaan nähdä lähes yksittäisiä atomeja.
Sekä APXPS että APT ovat tehokkaita tutkimusmenetelmiä, ja niiden yhdistäminen avaa täysin uusia mahdollisuuksia.
"Teho tulee siitä, että tietää mitä käyttää", sanoo Vahid Javaheri.
Javaheri vertaa tutkimusvälineiden valintaa arkipäivän tilanteeseen: ruokakauppareissulle ei tarvita lentokonetta.
”Vaikka lentokone on tehokas kulkuneuvo, se on aivan liian järeä kulkuväline lyhyelle matkalle. Sama pätee tutkimuksessa: voimme käyttää valomikroskooppia millimetrien tutkimiseen, kuten koulussakin tehtiin. Sitten siirrytään pyyhkäisyelektronimikroskooppiin ja läpäisyelektronimikroskooppiin (TEM), joilla suurennetaan satoja tuhansia tai miljoonia kertoja. APT toimii atomitasolla, mutta tuo mukanaan omat haasteensa – esimerkiksi näytteenvalmistelussa, sillä näytteet ovat usein tuhat kertaa hiusta ohuempia,” Javaheri selittää.
Täydellisen kuvan materiaalin käyttäytymisestä saa, kun APT:tä yhdistetään muihin laitteisiin kuten TEM:iin ja APXPS:ään tilanteen mukaan. Se, että kaikki nämä modernit fasiliteetit löytyvät yhdestä tutkimuslaitoksesta, on ainutlaatuista ja houkuttelevaa tutkijoille, Javaheri sanoo.
”On tärkeää ymmärtää, mihin mikäkin laite soveltuu. Meillä on nyt useita melko ainutlaatuisia laitteita, ja pitkällä aikavälillä näemme varmasti merkittävää kasvua Oulun yliopiston tieteellisissä tuotoksissa.”