天游线路检测中心 超高精度成像、高空间和高能量分辨率光谱以及“原位”电子显微镜
－为可持续未来而进行的材料研究

采访 09

查尔姆斯理工大学物理系，教授，研究主管
瑞典皇家科学院院士
国际显微镜学会联合会 (IFSM) 秘书长
伊娃·奥尔森

简介

瑞典是世界上社会最可持续发展的国家。查尔姆斯理工大学的 Eva Olsson 教授每天都在进行材料研究，以期为这里的可持续社会发展做出贡献。她的研究范围从基础科学到应用科学，从硬物质到软物质。她利用尖端电子显微镜揭示材料的局部结构和性能，旨在开发未来材料和设计设备以实现更美好的社会。

未来材料探索

Olsson 教授的研究小组将各种材料的专业知识与电子显微镜成像、衍射和光谱学等实验技术相结合。通过与学术界和工业界的合作伙伴合作，这项研究的目标是阐明材料特性与局部结构之间的关系，以确定如何设计未来材料以及如何制造具有所需特性的设备。奥尔森教授说：“我们的研究最重要和最令人着迷的是，它可以为创建一个更加可持续和环境友好的社会做出贡献。我们正在努力回答如何改进材料以创造智能和多任务材料的问题。”奥尔森教授说，实际的研究就像侦探调查。仔细观察，寻找线索。然后，了解现象并建立知识库。这个过程带来了更多的想法和概念。 “这种积累确实令人兴奋，并成为研究的动力。”

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我们询问教授他的动机是什么。 “这一切都是关于讨论和合作、阳光和好咖啡，”奥尔森教授微笑着说。对她来说，与不同的人讨论、相互配合才是最重要的。她相信通过讨论来体验事物可以提供更大的价值。 “通过与朋友和同事的讨论，我们从不同的角度审视事物，找到前进的道路。这是一种很大的乐趣。我们相信有机会利用不同领域的知识来研究多方面的现象，并在研究团队的框架之外相互尊重并积极交流想法和意见，这是非常重要和有价值的。”奥尔森教授强调。

Olsson 教授正在努力创建一个研究环境，让他们能够以这种方式相互补充。我们聚集了来自世界各地的具有高技能和专业知识的博士生和博士后，我们在任何缺乏的领域进行互补。通过这种方式，可以支持和激励年轻研究人员参与研究网络。此外，该网络不限于单个组。扩展为国际合作研究平台。我们不仅通过举办国际研讨会和邀请世界顶尖研究人员来实现这一目标，还通过访问世界各地的研究小组来实现这一目标。 “如果我们坚持一种思维方式、相同的想法、相同的方法，我们就无法取得进步。我们必须不断发展并创造一个充满活力的研究环境。这样我们才能创造一个对所有研究人员都具有激励性和有益性的研究环境。”

在这里，我们想介绍一下在这种研究环境下产生的旨在可持续未来的研究。

催化剂-精度的重要性

查尔姆斯理工大学催化能力中心将尖端的高分辨率电子显微镜与新的计算机模拟相结合来研究催化。催化剂是引起或加速化学反应的物质。催化剂用于多种场合，90%以上的化学品和燃料都是使用催化剂制造的。无论催化剂的类型如何，催化作用都涉及原子尺度上的复杂机制。

金原子“原位”研究 – 迈向新发现 –

电子显微镜原位观察方法可以直接可视化材料的微观结构和物理性能之间的相关性。空间分辨率现已达到原子尺度，原位观测方法使我们能够直接观察电荷、热量、液体和粒子的运动。还可以以高空间分辨率可视化由光、机械应变、温度变化等引起的动态现象。通过利用这种方式获得的信息，我们可以了解材料中的各个界面、缺陷和原子等微观结构如何在宏观、微米、纳米和原子尺度上控制物理性质。通过宏观测量无法理解的新物理性质和现象只能通过使用具有高空间分辨率的电子显微镜来揭示。通过这种方式获得的知识对于设计具有优异性能的新材料和设备至关重要。

未来最“令人兴奋”的挑战是什么？

目前，Eva Olsson 教授最令人兴奋的研究领域是软显微镜。软显微镜是一种电子显微镜方法，可以对易受电子束损坏的样品的纳米材料、二维材料和有机材料进行高分辨率分析，为材料科学开辟了新的可能性。奥尔森教授的团队利用软显微镜对有机太阳能电池等能量收集进行研究，并对超快光开关、量子光源和量子计算机技术等量子技术进行基础研究，这些对下一代网络技术至关重要。新启动的项目将重点研究光与物质之间的量子耦合。当光（电磁波）进入材料时，它与原子的集体振动（声子）和电子的集体振动（等离子体）强烈相互作用，从而产生称为“极化子”的新量子力学准粒子。极化子同时具有光和物质（波）的特性，并且具有非常有趣的光学和电学特性。

电子显微镜是此类量子现象的强大分析工具。通过使用配备单色仪的 JEOL JEM-ARM200F 进行高能分辨率“电子能量损失光谱（EELS）”测量，可以观察电子能量损失极小的现象。奥尔森教授的小组利用它来可视化声子、等离子体激元和极化激元。 “我们期待与 JEOL 的合作，这将使我们能够结合独特的尖端分析方法，创建一个平台，获得对光与物质相互作用的新见解。我们将能够更接近材料的本质，拓展未来的可能性，”Olsson 教授表达了他的兴奋之情。

超高精度电子显微镜和原位观察方法将继续进一步发展。此外，高能分辨率 EELS 和 STEM 分段探测器能够直接观察材料中的电场，这为科学打开了新的大门。 “电子显微镜具有进入不同维度和空间的魅力，我们利用电子显微镜观察尖端材料的结构，探索结构与物理性质的关联性，这就像探索永恒而神秘的宇宙。”伊娃·奥尔森教授微笑着说道。

图1金纳米锥晶体在超高电场下的示意图

尖端附近的表面原子由于电场而失去结晶度并转变为不规则结构。电场强度以彩虹色显示，黄色代表比浅蓝色更高的电场强度。
（雕像由亚历山大·埃里克森提供）

图2 金双锥纳米晶的STEM环形暗场图像

纳米晶体的形态和尺寸可以通过浸没颗粒生长中使用的表面活性剂来控制。通过控制形态，可以改变物理性质，使其可以应用于各种用途。
（雕像由安德鲁·B·扬科维奇提供）

发布时间：2020 年 1 月

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