De 3D NanoChemiscope is een wonder van state-of-the-art analysetechnologie. Als een verdere ontwikkeling van bekende microscopische en massaspectroscopische methoden, het brengt de fysieke en chemische oppervlakken van materialen in kaart tot op atomair niveau. Dit instrument, die uniek is in de wereld, levert niet alleen high-definition beelden; het weet ook wat het "ziet".

Wat hebben een pinguïn en het oppervlak van een zonnecel gemeen? Niet veel geeft Empa-natuurkundige Laetitia Bernard toe. Toch moet ze geglimlacht hebben toen, tijdens het verwerken van een afbeelding van een polymeermengsel dat nodig is om een ​​nieuw type organische zonnecel te produceren, op een gegeven moment kon ze steeds duidelijker de contouren van een pinguïn onderscheiden. Een klein detail in de complexe wereld van high-performance microscopie.

De 3D NanoChemiscoop, die bij Empa is ontwikkeld, brengt niet alleen monsters in kaart met nanometerprecisie, maar kan voor het eerst ook nauwkeurige informatie geven over welke chemische elementen waar in een monster zijn gerangschikt. Hierdoor kunnen zowel mechanische eigenschappen, zoals hardheid, elasticiteit of wrijving, en chemische eigenschappen van gelijktijdig in drie dimensies te bepalen oppervlakken. In het geval van de afbeelding "pinguïn", dit betekent dat de 3D NanoChemiscope niet alleen de omtrek van de "pinguïn" vastlegt, maar detecteert ook welke polymeren zich op zijn "bek" bevinden, op zijn "oog" en "omheen". Met behulp van deze analysetechniek de zonnecelonderzoekers zijn in staat om de mechanismen van hun materialen efficiënt te controleren en de samenstelling of concentratie van hun polymeermengsel dienovereenkomstig aan te passen. Dit maakt nieuwe constructies mogelijk en leidt daardoor tot betere prestaties van de zonnecel.

Scankrachtmicroscoop en hoogwaardige massaspectrometer

Deze analyse wordt mogelijk gemaakt door de 3D NanoChemiscope, die twee voorheen onafhankelijke technieken combineert. De scanning force microscope (SFM) scant het oppervlak met een ultrafijne punt, terwijl de time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometer (ToF-SIMS) de materiaalsamenstelling van de eerste monolaag aan het oppervlak bepaalt door er metaalionen op te "schieten".

Tot nu toe, om zowel de chemische als de fysische eigenschappen van oppervlakken te bestuderen, het was nodig om het monster in twee verschillende instrumenten te analyseren. Echter, bij het transporteren van het monster van het ene instrument naar het andere, er was altijd gevaar voor vervuiling of oxidatie. In aanvulling, het was praktisch onmogelijk om de exacte locatie die door de SFM is gescand, opnieuw te vinden. Wat, daarom, passender zou kunnen zijn dan de twee instrumenten te "combineren"? In een vierjarig project gesponsord door de EU, projectleider Laetitia Bernard, samen met Empa-onderzoekers en partners uit de academische wereld en de industrie, heeft minutieus gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuw instrument waarin een SFM en een ToF-SIMS in een ultrahoog vacuümkamer zo dicht mogelijk bij elkaar worden geplaatst.

De microscoopexperts hebben de 3D NanoChemiscope ook uitgerust met een nieuw in-house ontwikkeld transportsysteem, die piëzomotoren gebruikt om het monster voorzichtig heen en weer te bewegen op sporen die zijn bedekt met een diamantachtige koolstoflaag (DLC). De monsterhouder kan langs vijf assen bewegen, waardoor de onderzochte locatie vanuit elke hoek kan worden geanalyseerd.

Na de bouw ervan, het prototype – een monster van glanzend aluminium van 1 meter lang, 70 centimeter breed en 1,7 meter hoog – in gebruik bij projectpartner ION-TOF GmbH in Münster, Duitsland, waar het wordt gebruikt door industriële klanten en onderzoekspartners. De bouw van meer instrumenten is gepland, klanten die grote belangstelling hebben getoond en bereid zijn bedragen van meer dan een miljoen Zwitserse frank te betalen.