Wie op zoek is naar het allernieuwste in geavanceerde microscopie voor materialenonderzoek, moet vooral eens kijken bij de gloednieuwe TEM faciliteit die eind vorig jaar bij AMOLF in Amsterdam is geïnstalleerd. Deze JEOL transmissie elektronenmicroscoop genaamd SHINE, Shining light on atomic scale processes, beschikt over laser incoupling, supersnelle detectietechnologie én kan overweg met veel verschillende sample-houders. ‘Wat dit instrument zo bijzonder maakt is dat we heel goede resolutie kunnen behalen, tot atomair niveau, en tegelijkertijd snelle, time-resolved metingen kunnen uitvoeren’, zegt Erik Garnett, groepsleider nanoscale solar cells bij AMOLF. ‘Bovendien kun je allerlei verschillende sample-houders gebruiken, waardoor je “echte” materialen kunt gebruiken, denk aan een stukje van een zonnepaneel. Dit is echt weer een stap vooruit wat betreft in situ en in operando metingen. We kunnen nu materialen in hun concrete toepassing en onder realistische, real-world omstandigheden bestuderen.’  

‘We kunnen precies in kaart brengen wat er allemaal gebeurt in en op het materiaal tijdens dat snelle opwarmen en weer afkoelen’

Erik Garnett 

Vluchtige verschijnselen 

Volgens Garnett is de AMOLF TEM in Europa, en misschien zelfs wereldwijd, uniek. ‘In een normale TEM is het heel lastig om met licht te werken. Maar deze TEM heeft een piepkleine spiegel waardoor het mogelijk is om een laserstraal tegelijker met de elektronenstroom mee te sturen.’ Door licht te gebruiken, in combinatie met supersnelle detectie, komt een hele reeks verschijnselen binnen bereik. Niet-biologische materialen worden bijvoorbeeld nog steeds als heel statisch gezien, maar er gebeurt van alles op het oppervlak dat tot dusver buiten het zicht van onderzoekers bleef.

‘Door licht te schijnen op een materiaal gaat de temperatuur daar lokaal omhoog. Dat is weliswaar van heel korte duur, maar het kan het materiaal wel degelijk beïnvloeden. Door het licht “pompend” in te zetten, krijgen we, dankzij de snelle detectoren, snapshots van het materiaal die juist deze vluchtige verschijnselen vastleggen. Een ander voordeel van deze aanpak is dat het veel minder destructief is voor je samples’, aldus Garnett. ‘Met deze combinatie van mogelijkheden kunnen we dus precies in kaart brengen wat er allemaal gebeurt in en op het materiaal tijdens dat snelle opwarmen en weer afkoelen.’  

Oscillerende condities 

Dat is, onder meer, relevant voor onderzoek naar katalysatoren. Het is bekend dat de oppervlaktestructuur van een katalysator kan veranderen onder invloed van veranderingen in de temperatuur. ‘Met deze TEM kunnen de exacte structuur van de katalysatordeeltjes bepalen tijdens die wisselende omstandigheden, zodat we grip krijgen op die vluchtige veranderingen. Dit is ook heel relevant voor het opkomende veld van de dynamische katalyse. We weten dat oscillerende condities, zoals via licht, spanning of temperatuur, de prestaties van een katalysator beïnvloeden. We kunnen die veranderingen in prestatie al meten, maar we weten nog niet wat de precieze oorzaken zijn. Nu hebben we de mogelijkheid om die vragen in detail te onderzoeken. Dat is echt een enorme stimulans voor het hele in operando veld.’ Garnett benadrukt dat SHINE beschikbaar is voor iedereen met een passend voorstel. ‘Maar we geven prioriteit aan voorstellen die echt de sterktes en kenmerken van deze bijzondere TEM optimaal inzetten.’