Forskningsinfrastruktur för framtidens utmaningar

10 oktober 2019

Daniel Primetzhofer framför acceleratorn Micadas vid Tandemlaboratoriet, som utför allt från icke-destruktiv materialanalys till bestrålningar och fusionsforskning.

Solceller, glasögon, tekniken i mobiler, medicinska behandlingar – listan är oändlig på moderna tillämpningar som vi har jonstrålebaserad forskning att tacka för. Vid Tandemlaboratoriet utförs avancerade analyser med hjälp av acceleratorer för att möta framtidens krav på bland annat elektronik, material och energiproduktion.

Runtom på Ångströmlaboratoriet döljer sig infrastruktur som spelar en avgörande roll för forskningsutövningen inom många av universitetets ämnesområden. I hus 4 och 5 huserar en av dessa inrättningar: Tandemlaboratoriet. Här står fyra acceleratorer och elva strålrör till förfogande för allt från icke-destruktiv materialanalys till bestrålningar och fusionsforskning. Storleks- och kapacitetsmässigt finns inget jämförbart i Norden, och i Europa känner föreståndaren Daniel Primetzhofer bara till två liknande eller större laboratorier.

– Nu när The Svedberg-laboratoriet har lagts ner, så är vår största accelerator också den största maskinen i drift på hela Uppsala universitet. Och vår basinfrastruktur är så pass modern att vi kan ha den i drift i 25 år till.

Nyligen kom ett besked som kommer att ytterligare gynna laboratoriets framgångsrika verksamhet de kommande åren. I september meddelades att Vetenskapsrådet (VR) beviljar Tandemlaboratoriet fortsatt projektanslag som forskningsinfrastruktur av nationellt intresse åren 2021 – 2024. Anslaget uppgår till totalt 16 miljoner kronor som främst ska användas för utveckling av verksamheten.

Detta sker i ett stort samarbetsprojekt med namnet acceleratorbaserat jonteknologiskt konsortium och med KTH och Linköpings universitet som partners, berättar Daniel Primetzhofer. Tillsammans ska medlemmarna i konsortiet säkerställa att metodutvecklingen i laboratoriet sker med inriktning mot framtidens behov i många olika ämnesområden.

Högklassig service för externa och interna användare

Tandemlaboratoriet har idag tolv lokala anställda, de flesta teknisk personal. Den centrala rollen i verksamheten har dock de nära 300 användare årligen som utnyttjar infrastrukturens tjänster. Majoriteten är forskare från Sverige och Norden, men användarna kommer sammanlagt från ett tjugotal länder. Bland andra kunder märks industriföretag, myndigheter och privatpersoner. Som den forskningsinfrastruktur man är har dock forskningsuppdragen alltid förtur, säger Daniel Primetzhofer.

– Men vi har sällan riktiga konflikter som inte går att lösa. Maskinerna är i drift även utanför kontorstid, vanligtvis mellan 2 000 och 3 500 timmar om året. Om behov för analyser skulle krocka går tiderna oftast att flytta runt.

En betydande del av labbets verksamhet handlar om kol 14-datering. Där är Tandemlaboratoriet störst i Sverige med över 4 000 mätningar om året. De flesta av kol 14-dateringarna görs inom arkeologi och kulturarv, men även inom områden som kriminalteknik. 

– Det händer att vi samarbetar med polisen vid brottsutredningar. Det kan handla om illegal handel med elfenben och fågelägg, men polisen kan exempelvis också komma till oss med människoben för att få veta om det kan vara ett mordoffer de letat efter i kanske 25 år, säger Daniel Primetzhofer.

Tandemlaboratoriet har också etablerat ett omfattande samarbete med Karolinska Institutet i biomedicinska ärenden, då labbet har möjlighet att datera ytterst små mängder biologiskt material från tidigt 60-tal och framåt, med upp till ett års noggrannhet. I detta samarbetsprojekt har labbpersonal bland annat åldersbestämt hjärnvävnad efter stroke eller vävnad efter en hjärtinfarkt för att se vilka celltyper som regenereras och under vilka förutsättningar.

– Våra utvecklingar inom acceleratormasspektrometri, som möjliggör datering av små mängder DNA, har bland annat gett oss hastigheten för nybildning av neuroner i olika delar av den mänskliga hjärnan, något som tidigare inte varit möjligt att få fram.

Vid kol 14-datering accelereras kolatomerna från provmaterialet till hastigheter på uppemot 10 miljoner kilometer i timmen. Partiklarna skickas genom magnetiska och elektriska fält där de beroende på massan styrs åt olika håll i acceleratorn. Med hjälp av olika utplacerade detektorer räknas de enskilda atomerna, vilket gör det möjligt att åldersbestämma materialet från kvoten av de olika atomsorterna av grundämnet kol.

Jonstrålar för framtidens teknologi

Silma Alberton Correa, tidigare post-dok vid laborato-
riet, vid acceleratorn Time-of-Flight Low Energy Ion
Scattering (ToF-LEIS). Foto: Privat

Ett annat verksamhetsområde vid Tandemlaboratoriet är jon-stråleanalys av ultratunna
ytbeläggningar inom exempelvis optik eller elektronik. Sådana skikt kan göra ytor såväl optiskt attraktivare som hårdare och mindre friktionsbenägna. I labbets senaste accelerator-tillskott, Time-of-Flight Low Energy Ion Scattering (ToF-LEIS), kan forskarna studera och karaktärisera samman-sättning och struktur i det yttersta atomskiktet i ett prov. Djupet och egenskaperna i materialet kan därefter ändras och skräddarsys ner till subnanometerskala.

Labbet anlitas för sådan analys inom bland annat solceller och nya modeller av litiumbatterier. Men nästan allt inom tunnfilmsteknologi är lämpligt för jonstråleanalys, som i hög grad bidragit till utvecklingen av dagens elektronik och det på flera sätt, säger Daniel Primetzhofer.

­– Förutom att jonstråleanalys är avgörande för utveckling av ny elektronik så finns det inga kretsar i din eller min mobil som inte har genomgått jonbestrålning i form av jonstråleimplantation. Det är helt enkelt ett steg i produktionen. Alla stora företag har egna bestrålningsanläggningar. Men vi jobbar ju med forskargrupper som tar fram nästa generations elektronik och även små start up-företag som inte har råd att köpa egna acceleratorer för bestrålning inom deras småskaliga produktion. Så då kommer de till oss, säger Daniel Primetzhofer.

Han tillägger:

– Folk har ibland lite felaktig uppfattning om hur sådana saker som mobiltelefoner uppstått. Det är ju 30-40 år gammal grundforskning som nu har lett till många av de produkter som blivit mogna för marknaden. Och den forskning som nu bedrivs i det här huset och på andra svenska lärosäten för framtidens elektronik, är ju forskning som kommer att vara avgörande för hur våra personliga elektroniska enheter kommer att se ut och fungera om många år. Så för att kunna utveckla nästa generations elektronik behövs våra metoder.

Ökad efterfrågan på lågenergetiska joner

Acceleratorerna kan överträffa andra avancerade instrument som exempelvis elektronmikroskop både i fråga om att identifiera grundämnen och genom att på nanometerskala avslöja deras fördelning och absoluta koncentrationer i materialet, enligt Daniel Primetzhofer.

Doktorand Svenja Lohmann framför Pelletron-
acceleratorn. Foto: Privat

Han förklarar hur labbets unika metoder kan användas för att karaktärisera helt okända prov, exempelvis valfri sten från gatan. När stenen stoppas in i acceleratorn kan användarna få fram exakt vilka grundämnen stenen innehåller, från väte till uran och hur de är fördelade på djupet. Dessutom förstörs inte provet i sådan analys och provpreparationen som behövs är marginell. Nackdelen med acceleratorn är att den behöver vara av ansenlig storlek, något som lyckligtvis finns vid Tandemlaboratoriet.

– Storleken på Pelletronacceleratorn är nästan 50 meter från ena sidan till den andra och den står i en lokal på drygt 750 kvadratmeter. 

Kännedomen om Tandemlaboratoriets kapacitet och kompetens har fått spridning och Daniel Primetzhofer upplever att det skett en stadig ökning av antalet användare under de senaste åren. Beskedet om förnyat anslag från VR ger hopp om att kunna iscensätta välbehövliga nyinvesteringar.

– Verksamhetens utveckling kommer att gynnas väldigt mycket av anslaget, säger Daniel Primetzhofer. Vi skulle vilja skaffa ytterligare en accelerator för materialanalys som är fokuserad på lägre energier för där finns en konflikt mellan efterfrågan och utbud. Pratar man partikelenergier så handlar högre energier om såväl enklare fysik som analys på större längdskalor. Men idag när allt inom tekniken blir mindre och tunnare måste vi använda lägre energier för att kunna se mer noggrant in i material – ner till subnanometernivå. Bestrålningar med lägre energier blir allt vanligare och ett nytt instrument ska byggas vid laboratoriet. På hela den fronten kan vi utvecklas för att möta framtidens behov, och det nya anslaget ger oss möjlighet att göra det.
 

Läs mer:

Bidrag till viktig forskningsinfrastruktur vid Uppsala universitet

Tandemlaboratoriet

Alla nyheter