32,5 miljoner till ny forskningsinfrastrukturplattform

För att kunna minska CO2-utsläpp och ersätta fossila bränslen inom energilagring, transport och produktion, måste alternativa lösningar hittas. Exempel på lösningar är till exempel att använda Li-jonbatterier i bilar eller väte både för energilagring och för nya produktionsmetoder, till exempel inom stålproduktionen.

För att hitta nya material och tillämpningar för energiomställningen behövs mer information om fördelningen och koncentrationen av grundämnen i olika material, samt om deras struktur och hur de interagerar med andra ämnen. Speciellt intressant är att undersöka litium och väte, men det är svårt och komplext att mäta dessa.

Den nya infrastrukturen LigHt är en plattform för materialvetenskap, speciellt för karaktärisering av material där målet är att se hur lätta ämnen beter sig. LigHt gör det möjligt att kombinera flera tekniker och instrument för att få mer kunskap om litium och väte och hur de påverkar material beroende på till exempel omgivningens tryck, temperatur, elektromagnetiska eller elektrokemiska förändringar. Forskarna kan studera beteenden på ytor och gränsskikt mellan material och vad som händer med dessa under yttre påverkan. Ett exempel är hur en solcell fungerar vid hög temperatur jämfört med vid rumstemperatur.

Det är även särskilt intressant att undersöka hur material är sammansatta för att uppnå en önskad funktion eller egenskap. Ett exempel på en sådan önskad funktion är energilagring som är stabil under lång tid med varierande temperaturer, vilket liknar förhållandet som ett batteri upplever under vanlig drift.

Inom LigHt-projektet kommer forskare inom materialfysik, röntgenfysik, jonfysik, strukturkemi, oorganisk kemi och Tandemlaboratoriet samarbeta och kombinera tre nya tekniker med befintlig infrastruktur i en ny helhet.

– Den breda expertisen inom LigHt-projektet skapar en tvärvetenskaplig miljö som underlättar samarbete och utbyte av idéer, säger Andreas Lindblad som tillsammans med Daniel Primetzhofer är huvudsökande för projektet.

LigHt kommer att samla befintlig expertis inom röntgendiffraktion, röntgenbaserad elektronspektroskopi, samt jonstråleanalys och jonstrålemodifiering. Tre tekniker: SIMS, EP-HAXPES och XRD kommer integreras med redan befintlig infrastruktur kopplad till MeV-Pelletronacceleratorn vid Tandemlaboratoriet. Kombinationen av de tre teknikerna kommer mäta koncentrationer av olika grundämnen med hög noggrannhet och hur material påverkas vad gäller både kemisk sammansättning och strukturen i materialet vid en och samma anläggning.

SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) är en jonmasspektrometrimetod och anses vara den mest känsliga metoden som finns för att mäta grundämneskoncentrationer nära ytan av ett material. Väte och litium kan detekteras ner till koncentrationer av miljondelar och till och med miljarddelar. Med metoden kan man även skapa 3D-kartor över hur grundämnen fördelas i materialet.

EP-HAXPES (Extended pressure hard X-ray photoelectron spectroscopy) är en röntgenbaserad elektronspektroskopimetod som kan studera kemiska bindningar, interaktioner och förändringar i material. Tekniken kräver inte ultrahögt vakuum, vilket innebär att man kan göra mer realistiska mätningar genom att till exempel släppa in väte eller luft till materialet som ska undersökas. Med tekniken kan man till exempel studera korrosion eller katalytiska processer.

XRD (X-ray diffraction) är en röntgendiffraktionsteknik som mäter materialets struktur och dess förändringar på atomär nivå. Tekniken är väldigt flexibel och fungerar lika utmärkt i vakuum samt i olika atmosfärer och kan förutom ordningen av materialets atomer också mäta till exempel spänningstillstånd i material som tar upp väte. 

Tandemlaboratoriet är en befintlig infrastruktur vid Ångströmlaboratoriet som tillhandahåller världsledande utrustning för jonstrålebaserad karaktärisering och modifiering av material. Där finns tillgång till flera tekniker som är speciellt känsliga för lätta element, såsom NRA (Nuclear reaction analysis) och ERDA (Elastic recoil detection analysis), som kan kombineras med de nya teknikerna och ge kompletterande information.

För att man fullt ut ska kunna styra hur material sätts samman måste den yttre påverkan minimeras och det är därför viktigt att även kunna växa och modifiera prover i samma system som mätningarna görs. Detta gör att provförändringar från till exempel transport mellan olika experiment kan elimineras.

– Integreringen av den nya plattformen i den befintliga infrastrukturen på Tandemlaboratoriets nationella forskningsinfrastruktur kommer även gynna många andra tillämpningar inom materialforskning, säger Daniel Primetzhofer, föreståndare för Tandemlaboratoriet.

Forskning inom röntgenbaserad elektronspektroskopimetod vid LigHt ingår också i ett koordineringsprojekt inom NAP-XPS (Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy), som är ett större samarbete med Linköpings universitet och Chalmers tekniska högskola. 

NAP-XPS och LigHt kommer i sin helhet skapa en helt unik forskningsmiljö inom materialkaraktärisering. Kombinationen av de bästa analysmetoderna gör det möjligt att på ett nytt sätt förena maximal känslighet med realistiska miljöer för de material som undersöks.

– Information om struktur, kemi och sammansättning av material på atomär nivå kopplas till egenskaper på makroskopisk nivå, så att man kan studera hela livscykeln av material från syntes via tillämpning till återvinning, avslutar Daniel Primetzhofer.

Svenja Lohmann och Camilla Thulin