Mjukröntgenspektroskopi för ultra-utspädda in-operandi katalysatorer: Medels maskininlärning för spektrometerutveckling

Projekttitel: Mjukröntgenspektroskopi för ultra-utspädda in-operandi katalysatorer: Medels maskininlärning för spektrometerutveckling
Huvudsökande: Philippe Wernet, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 7 452 400 SEK för perioden 2020-2023

Vår moderna livsstil är helt beroende av att vi utnyttjar katalytiska processer. Det kanske viktigaste exemplet är framställningen av konstgödsel, som gör att vi kan livnära jordens befolkning, och utan katalytisk avgasrening skulle planeten redan vara obeboelig. Katalytiska processer har emellertid varit viktiga för livets utveckling långt innan industriell kemiteknik, och långt innan människan. Hjärtat i fotosyntesen i är katalytiska processer; vid katalytiskt aktiva center kan solljusets initiera reaktioner som omvandlar vatten och koldioxid till energirika molekyler och syre.

Studiet av denna typ av processer är ett stort forskningsfält. Med en mekanistisk förståelse på atomnivå, och ytterst på en nivå där man kan följa elektronernas orbitaler, skulle man inte bara kunna imitera och kanske förbättra dessa processer som naturen använt för att skapa kemisk energi sedan livets uppkomst. Visionen är att därigenom skapa en hållbar energikälla för mänsklighetens framtida behov.

Komplexiteten i processerna och systemen utgör det största hindret för att förverkliga denna vision. Ett viktigt och belysande exempel är Fotosystem II (se bilden) som är en komplex molekylär struktur med katalytiskt aktiva center, där manganatomer spelar en avgörande roll. Även om den atomära strukturen (se bilden) är kartlagd måste man förstå elektronstrukturens utveckling innan man förstår den grundläggande mekanismen. Vi har visat att det i princip är möjligt att använda Röntgenspektroskopi i detta syfte. Vi har också insett att det är en stor experimentell utmaning att komma fram till den datakvalitet som krävs, och det är med detta projekt som vi antar denna utmaning.

Vi kan göra det genom att använda de starkaste ljuskällorna och innovativ instrumentell utveckling. Hjärtat i ett nytt optiskt system som vi optimerar genom maskininlärning är en hypereffektiv Röntgenspektrometer som bygger på en ny princip. I denna uppställning fångas Röntgenstrålningen effektivt upp, och separeras så att endast den relevanta strålningen detekteras nästan utan bakgrund. Dessutom utnyttjar vi spetsteknik för provhantering, som baseras på vi introducerar prov i vätskeform i vakuumkammaren genom en mikrometertunn jetstråle. På detta sätt förnyas provet kontinuerligt så att mätningen inte spolieras av att molekylerna går sönder under belysningen.

Experimenten kan bara göras vid de mest avancerade anläggningarna för Röntgenstrålning: MAX IV i Lund, BESSY II i Berlin och den europeiska Röntgenlasern, XFEL, i Hamburg. Med den erfarenhet som finns inom vår konstellation kan access till dessa stora infrastrukturer i princip garanteras.