Beste elektronenmicroscoop ter wereld voor Universiteit Utrecht

De Universiteit Utrecht heeft een elektronenmicroscoop in gebruik genomen die op dit moment het meest geavanceerd is in zijn soort. Met het apparaat kunnen onderzoekers de individuele atomen in nanodeeltjes in beeld brengen. Dat biedt mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe duurzame materialen.

Spectra300

Op 24 maart 2020 werd in het Androclusgebouw op het Utrechtse Science Park een nieuwe microscoop binnengedragen, een apparaat van 3,6 meter hoog. Negen maanden lang sleutelde de leverancier eraan en in de week voor kerst was de oplevering. Wéér twee maanden later kan de Spectra300, de meest geavanceerde electronenmicroscoop ter wereld, op 1 maart 2021 dan toch echt in gebruik genomen worden. Wat je noemt maatwerk.

Facility manager Chris Schneijdenberg van het Elektronenmicroscopie Centrum van de UU is blij. “Met deze microscoop kunnen we beelden maken met een ongekend hoge resolutie. Onderzoekers kunnen de configuratie van atomen bekijken in structuren op nanoschaal.”

Die configuraties zijn belangrijk om de chemische of natuurkundige werking van materialen te begrijpen en vervolgens nieuwe materialen te ontwikkelen. Schneijdenberg: “De microscoop kan zelfs de lichtste elementen zoals zuurstof, stikstof en koolstof onderscheiden, in beeld brengen en karakteriseren. Met die kennis kunnen bijvoorbeeld nog betere en energiezuiniger batterijen, zonnepanelen en elektronische beeldschermen worden ontworpen.”

Het is echt fantastisch om te zien hoeveel detail we nu kunnen onderscheiden, en dat we niet meer naar het buitenland hoeven om dergelijke beelden te krijgen.

Hoofd van het Elektronenmicroscopie Centrum Marijn van Huis voegt daaraan toe: “We onderzoeken veel materialen die zo bijzonder zijn omdat ze eigenschappen hebben die alleen nanodeeltjes bezitten. 2D-materialen zoals grafeen zijn maar een paar atomen dik en het maakt voor de eigenschappen van die materialen heel veel uit waar de atomen precies zitten en welke chemische elementen het precies zijn. Het is echt fantastisch om te zien hoeveel detail we nu kunnen onderscheiden, en dat we niet meer naar het buitenland hoeven om dergelijke beelden te krijgen.”

Ieder elektron gebruiken

Het apparaat is vooralsnog uniek in de wereld, vertelt Schneijdenberg. “De Spectra300 is wat wij noemen ‘dubbel gecorrigeerd’ voor lensfouten. De microscoop is namelijk op twee manieren te gebruiken. Soms maken we de elektronenbundel superklein, een twintigste nanometer, en scannen met deze ‘probe’ het oppervlak van het sample. Soms maken we juist een brede bundel om het hele sample in één keer te kunnen bekijken. Voor beide manieren van kijken heeft deze microscoop een top-resolutie.”

We kunnen de elektronenbundel van de Spectra300 superklein maken of juist breed Voor beide manieren van kijken heeft deze microscoop een top-resolutie.

Het cijfer 300 wil zeggen dat de elektronen in de kolom worden versneld met een hoogspanning van 300 kiloVolt. Schneijdenberg: “Ze razen met hoge snelheid door het onderzochte materiaal heen. Het apparaat heeft ook een uiterst gevoelige zogeheten direct electron detector waarmee zo ongeveer ieder elektron wordt gebruikt om het beeld te maken. Daardoor kunnen we nu ook naar zachte en stralingsgevoelige materialen kijken.” Wat dat betreft lijkt de prijs van de microscoop eigenlijk enorm mee te vallen: in totaal kostte 5 miljoen euro. Vooral de camera met energiefiltering die erin zit is volgens Schneijdenberg kostbaar. “1,8 miljoen.”

De komende maanden zullen nano-wetenschappers van de Universiteit Utrecht de Spectra300 gaan gebruiken in hun onderzoek. Enkele scheikundigen en natuurkundigen hebben al plannen. Van Huis: “Een groot voordeel van deze analysetechniek is dat je kunt werken met heel kleine hoeveelheden. Verder hebben we speciale houders waarmee we het materiaal kunnen bestuderen tijdens verhitting, of in een vloeistof- of gasomgeving.”

Nationale faciliteit

Na een testperiode van een paar maanden zal de elektronenmicroscoop vanaf halverwege het jaar beschikbaar zijn voor materiaalkundigen en nanowetenschappers in heel Nederland. Schneijdenberg: “Hij zal worden opgenomen in de Netherlands Electron Microscopy Infrastructure, de NEMI Roadmap, een nationale faciliteit.”

Het bedienen van de Spectra300 gebeurt overigens voor het eerst bij de UU met hulp van twee operators. Schneijdenberg: “Bij andere microscopen leiden we onderzoekers op om het werk zelf te kunnen doen, maar de Spectra300 zit vol met geavanceerde detectors, elektronica en software. Om daarmee te kunnen werken moet je een expert zijn.”