De visar hur material formas – live

Världens starkaste synkro­tronljusanläggning, MAX IV, finns i Lund. Nu utökas de experimentella möjligheterna med en anläggning som möjliggör forskning på själva tillverkningen av material (från så kallade funktionella bläck) som används exempelvis i solceller, LED-teknik, röntgen-detektorer och lasrar. Detta gör det möjligt att tillverka material och apparater med högre effektivitet och mindre miljöpåverkan.

– Med in-FORM utvecklar vi en forskningsplattform som använder de unika funktionerna hos MAX IV och gör dem tillgängliga för de som vill forska på olika materials egenskaper under deras uppbyggnadsprocess. Det intresserar redan forskargrupper och avancerad tillverkningsindustri, säger Eva Unger, projektkoordinator, universitetslektor i Kemisk Fysik och Nano Lund vid Lunds universitet samt forskargruppledare vid Helmholtz-Zentrum Berlin i Tyskland.

Studerar ”bläckblandning”
Mycket enkelt uttryckt har Eva Unger, Justus Just, projektledare, och Matteo Ciambezi, postdoktor skapat en småskalig ”beskiktnings”-maskin. Närmare bestämt en slot-die coater, där funktionella material som kan processas från lösningar (bläck) kan appliceras. Medan bläckblandningen pressas ut på ett rullande, temperatursatt band kan materialens tillväxtprocess undersökas med synkotronljuset hos MAX IV:s Balder-stråle (beamline).
– Unikt för vår lösning är att vi kan observera och analysera materialets förändringar på flera olika sätt. I andra fall tvingas man till kompromisser eftersom en mätanordning som är perfekt för en form av observation inte klarar av en annan observationsform lika bra samtidigt. Med in-FORM får vi högsta kvalitet på mätningar baserad på röntgenljus i realtid: materialens struktur från röntgendiffraktion, materialens sammansättning från röntgenabsorption eller röntgen­emission, materialens bandgap från röntgeninducerad luminescens eller optisk spektroskopi, konstaterar Justus Just.

Oväntat förväntat
Slot-die-coatern i in-FORM-systemet, opererar inne i en låda med 0,6 kubikmeters volym där atmosfären kan kontrolleras. Den fjärrmanövreras från kontrollstationen vid experimenten. Innan sommaren kommer de första experiment där materials omvandling undersöks under tillverkningsprocessen att testas skarpt i in-FORM. De första material som undersöks är så kallade perovskithalvledare som används för högeffektiva solceller, av bland annat forskaren Eva Unger och hennes forskargrupp.
– Vi förväntar oss att kunna iaktta förändringar i egenskaper hos materialet som man tidigare inte kunnat studera. Det tenderar att vara så när forskningsvärlden får tillgång till ny, kraftfull teknik. Det vi vet är att vi kommer att få fram väldigt, väldigt mycket data att analysera. Sammantaget blir det ett viktigt bidrag till vår forskning och kan öppna för nya, energieffektivare och miljövänligare material och produkter, säger Eva Unger.
in-FORM är stationär vid MAX IV. Den kommer att vara bokningsbar och ett team på plats kommer att säkra att de som vill använda den i framtiden får ut det mesta möjliga av sina tester. Oavsett om det handlar om forskare från akademin eller industrin.

Exakta mätningar
Matteo Ciambezi understryker maskinens mångsidighet och extrema precision. I princip kan vilket material som helst analyseras. Och det kan göras ner på strukturnivå. Man kan se hur och på grund av vilken påverkan materialstrukturen förändras.
– Vi kan göra många mätningar samtidigt, på samma punkt, och därmed få en exakt förståelse för processerna i materialet vi analyserar. För att tillverka exempelvis elektroder till batterier är det helt central kunskap, förklarar Matteo Ciambezi.
Arbetet med in-FORM och infrastrukturen runt den har pågått i snart tre år. Det kan indelas i tre olika delar:
• Konstruktion/instrumentering för rätt funktion och flexibel integration med MAX IV.
• Metoder för realtidsanalys av funktionella material med multipla tekniker.
• Analysverktyg för live feedback till tekniker och forskare.

Fungerande teknik
Den in-FORM slot-die coater som inom kort testas är den mest sofistikerade av denna instrumenttyp, eftersom dess funktion och system möjliggör observationer av hur material formas i realtid. På plats på MAX IV öppnar den forskningsmöjligheter som inte finns på någon annan plats på jorden. Den ökar tillgängligheten till världens kraftfullaste synkotronljuskälla och utökar samtidigt dess användningsområden.
– Det första testet med Balder-strålen görs för att testa vår konstruktion i skarpt läge, men vi kommer självklart att ta vara på alla data vi får under den körningen. Dessutom är våra lösningar skalbara. Vi har fått lösa många problem för att komma dit vi är idag. Med den skarpa körningen når vi en första, viktig milstolpe i utvecklingen av de nya experimentella möjligheterna. Det känns stort och är det också, avslutar Justus Just.