Artikkel

Titan - mikroskopet som kan «se» atomer

Elektronmikroskopet Titan
Phoung Dan Nguyen fra Fysisk institutt viser fram elektronmikroskopet Titan i Forskningsparken. Bruk bildet.

Titan - mikroskopet som kan «se» atomer

I 1934 oppdaget den tyske fysikeren Ernst Ruska at man ved hjelp av elektroner kunne se strukturer selv synlig lys ikke kunne oppdage. Starten på elektronmikroskopet. I Forskningsparken på Blindern står i dag ett av verdens mest avanserte elektronmikroskoper. Det kan se strukturer helt ned på atomnivå. Dette var science fiction for bare ti år siden.

«Elektroner er bølger på mandag, onsdag og fredag. De er partikler på tirsdag, torsdag og lørdag. Søndag har de hviledag.»

(Kvantefysikk-humor fra 1930-tallet med ukjent opphav)

Et barn av fysikkens ville vesten

Begynnelsen av forrige århundre er fysikkvitenskapens svar på amerikas ville vesten. Det virket en stund som lovløsheten også hadde tatt over fysikkens verden.

Det stabile newtonske univers var blitt erstattet med Einsteins to relativitetsteorier, der tid og rom var ikke bare var relative størrelser, men også bundet sammen i en egen dimensjon.

I tillegg kom kvantemekanikken, det andre store vitenskapelige gjennombruddet, og tilsynelatende lot partikler opptre helt etter eget forgodtbefinnende.

Elektroner kunne hoppe fra det ene stedet til det andre uten at man kunne beregne hvordan og hvorfor, bare beregne med en viss sannsynlighet hva som kom til å skje.

Elektronmikroskopet er et barn av denne ville tiden med alle sine vitenskapelige gjennombrudd, og ble utviklet i kjølvannet av den smått paradoksale oppdagelsen av at partikler også kan opptre som bølger.

Dette ble teoretisert i en doktorgrad av den franske fysikeren Louis de Broglie i 1924, bevist gjennom eksperimenter i 1927 og i begynnelsen av 30-tallet så det første elektronmikroskopet dagens lys, utviklet av den tyske fysikeren Ernst Ruska.

TITAN - et høyteknologisk vidunder

Når vi lister oss inn på Forskningsparken for å ta en titt på TITAN, ett av to avanserte elektronmikroskop til benyttelse på UiO, er det lite som minner om 30-tallet og ville vesten. Her ser alt svært høyteknologisk og moderne ut.

– TITAN er et så kraftig mikroskop at vi kan se helt ned til 0,07 nanometer, det vil si at vi kan se atomstrukturer med det, sier professor Øystein Prytz, førsteamanuensis i fysikk ved UiO.

Det finnes to typer teknologier innen elektronmikroskop, SEM og TEM. TITAN er et såkalt TEM-mikroskop. Det første elektronmikroskopet var også basert på samme teknologi.

– Det er sant at vi egentlig benytter akkurat samme teknologi på TITAN som på tidligere elektronmikroskoper. Forskjellen er datamaskinen og en ny generasjon av korreksjonslinser, som gjør det mulig å forstørre mer fokusert, såkalte CC-korrekturlinser. De siste gjennombruddene på denne fronten har kommet de siste årene og det er blant annet det som gjør at vi i dag har enda sterkere elektronmikroskoper, forteller Prytz.

Et lysmikroskop har ikke muligheten til å se helt ned på atomnivå uavhengig av hvor sterk linse det måtte ha. Det er fordi bølgelengdeegenskapene til lys og elektroner er forskjellige. Lys har mye større bølgelengde enn elektroner.

– Bølgelengden til lys er for stor til å klare å trenge helt ned på atomnivå.

Elektronmikroskopet Titan
Elektronmikroskopet TITAN i Forskningsparken. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

Med lysmikroskop kan man se ned til 400-700 nanometer. Til sammenligning er grensen for elektroner 0,0025 nanometer. Det er altså en veldig stor forskjell, men det er foreløpig ikke mulig å se helt ned til denne bølgelengdegrensen. Det sterkeste mikroskopet i verden i dag befinner seg i Tyskland og kan se ned til 0,05 nanometer. UiO-mikroskopet Titan kan se ned til 0,07 nanometer, forklarer Prytz.

Hvordan «se» med elektroner

Her er det verdt å stoppe litt opp. For hvordan kan vi se uten lys? Svaret på det er at det kan vi strengt tatt ikke. Vi mennesker trenger lys for å se.

I den grad de observasjonene vi får fra et elektronmikroskop er noe vi kan se, er det bare i overført betydning. I motsetning til et vanlig mikroskop hvor en sender synlig lys og lar øyet se det reflekterte lyset direkte, så bruker et elektronmikroskop elektroner i avbildningen.

Istedenfor lys, bombarderer elektroner det objektet som skal granskes, og et moderne transmisjonsmikroskop som Titan, lar elektronene gå gjennom prøven og danne et avtrykk som deretter kan bli tolket av en datamaskin. Det bildet vi til slutt ser på netthinnen er altså et databilde av objektet som granskes, ikke objektet i direkte forstand.

– Ja, sånn er det og sånn må det være. Det er det bølgelengden som bestemmer. Det virker kanskje kontraintuitivt å se noe man ikke ser i klassisk forstand, men poenget er jo først og fremst at observasjonene fra et elektronmikroskop er mulig å bruke vitenskapelig, mener Prytz.

NORTEM - et slagkraftig samarbeid

De aller fleste produkter vi har rundt oss i dag har på en eller annen måte benyttet elektronmikroskopi i utviklingen. Teknologien er helt nødvendig for produktutvikling innen alt fra fornybar energi til nanoteknologi.

Det er de som har tilgang til de beste mikroskopene som i fremtiden vil ha best forutsetning til å utvikle de gode produktene og stå for den beste forskningen.

Til nå har en av de største utfordringene med elektronmikroskopet vært de kostnadene teknologien fører med seg. Supermikroskoper som Titan koster svært mye å bygge og er dyre i drift.

Det er bakgrunnen for at Forskningsrådet, NTNU, Universitetet i Oslo og SINTEF har gått sammen om anskaffelsen av fem elektronmikroskop til en samlet investeringssum på 117 millioner kroner, som en del av infrastruktursamarbeidet NorskTransmisjonsElektronMikroskopi (NORTEM).

UiO og de andre i samarbeidspartnerne kan nå tilby forskningsgrupper og industri tilgang til topp moderne mikroskoper som vil styrke et bredt spekter av fagområder:

– Samarbeid av denne typen er utrolig viktig. Nå kan flere institusjoner, bedrifter og forskere få tilgang til denne superteknologien. Vi er stolte av Titan, sier Prytz som har vært sentral i NORTEM.

Og endelig, ved hjelp av elektronmikroskop som Titan, og 2500 år etter at Demokrit forutså at de eksisterte, kan vi observere det vi og hele verden rundt oss er bygd opp av; Nemlig atomer!

Kontakt:

Førsteamanuensis Øystein Prytz ved Fysisk institutt

Les mer:

NorskTransmisjonsElektronMikroskopi (NORTEM)

USA-president Barack Obama ser atomer på TITAN

Les også

Thorium er kåret til Norges nasjonalgrunnstoff

Thorium er Norges nasjonalgrunnstoff

Oppkalt etter den norrøne guden Tor. Oppdaget i et mineral fra Norge. Store norske forekomster og muligens løsningen på fremtidens energibehov.