EMAT BOUWT AAN DE TOEKOMST VAN ELEKTRONENMICROSCOPIE

De lichtmicroscopen, waar je in het middelbaar cellen mee waarnam, gebruiken – niet verbazingwekkend – licht om dat te verwezenlijken. De resolutie van zo’n microscoop wordt beperkt door de golflengte van het zichtbare licht, wat ongeveer een honderdste is van de dikte van een menselijk haar. Dat komt niet omdat we slecht zijn in het maken van microscopen, maar het is een fundamentele limiet van de fysica. De afmetingen van een cel zijn gemiddeld tien keer groter dan die resolutie, dus voorlopig heb je nog geen fysicawetten gebroken tijdens je biologieles. Atomen daarentegen hebben een gemiddelde grootte die duizend keer kleiner is, waardoor ze onzichtbaar zijn. Je kan het vergelijken met golven op zee: grote schepen (de cel in deze analogie) beïnvloeden de golven duidelijk terwijl kleine bootjes (de atomen) nauwelijks de vorm van de golf veranderen.
 

tot op de limieten van de fysica

Kunnen atomen dan nooit waargenomen worden? Jawel, en de oplossing is heel simpel: gewoon kleinere golven gebruiken. Om de hoogste resolutie te bereiken, worden elektronen gebruikt. Je weet wel, die kleine negatieve deeltjes die rond atoomkernen draaien. “Maar, als elektronen deeltjes zijn, hoe hebben ze dan een golflengte?”, vraagt de aandachtige lezer zich nu af. Wel, je fysicaleerkracht heeft tegen je gelogen, want elektronen zijn zowel deeltjes als golven! Dit fenomeen heet de golf-deeltjes-­dualiteit – vraag er gerust je lokale fysicus over uit. De golflengte van deze elektronengolven is ruim klein genoeg om atomen in beeld te brengen. Echter, waar licht gemakkelijk te sturen is met glazen lenzen, vragen elektronen complexe apparatuur die al snel een hele kamer vult en bovendien nog propvol zit met allerhande technische snufjes. Professor Bals stelt het als volgt: “Een elektronenmicroscoop is niet alleen een heel groot vergrootglas, eigenlijk is het een labo op zich.” En al die snufjes zijn broodnodig, want alles om ons heen is in feite materiaalwetenschap, en om die echt te begrijpen – en verbeteren – moet je tot op microscopisch niveau kunnen kijken. “Neem een simpele balpen. Pas als je tot op microstructuurniveau kijkt, besef je hoeveel materiaalkunde daarin zit en waarom elk onderdeel precies zo gemaakt is.” Professor Verbeeck gaat verder: “Hetzelfde geldt voor een smartphone; die zit tjokvol technologie. Elk minuscuul onderdeel, van het scherm tot de batterij, steunt op jaren materiaalonderzoek.”
 

nieuw speelgoed

In het X-gebouw staan drie elektronenmicroscopen waarmee subatomaire resolutie mogelijk is en daarmee staat EMAT mee aan het voorfront van materiaalkarakterisatie binnen Europa. Momenteel zijn de werken volop aan de gang voor het installeren van een gloednieuwe microscoop, eentje waarin materialen onderzocht kunnen worden met zowel elektronen als laserlicht. “Daarmee combineren we de resolutievoordelen van elektronen met de interactie-eigenschappen van licht”, verklaart professor Verbeeck. “Zo kunnen we een microscopisch proces bestuderen, bijvoorbeeld een katalytische reactie, terwijl het gebeurt.” Daarnaast zal het ook mogelijk zijn om monsters in hun natuurlijke vloeibare of gasomgeving te onderzoeken, terwijl dat voor gewone experimenten noodgedwongen onder vacuüm gebeurt. “Waarnemingen in een andere omgeving kunnen al wel even, maar de additie van het laserlicht maakt deze microscoop uniek in de wereld”, aldus professor Bals. 

Wat kost deze vernieuwing? De marktprijs voor zo’n nieuw toestel is maar liefst zeven miljoen euro, en het komt ook niet kant-en-klaar. De ruimte waar de microscoop in komt te staan moest speciaal voorbereid worden om alle storende invloeden van buitenaf, zoals trillingen of temperatuurschommelingen, zoveel mogelijk buiten te sluiten. “De resolutie van dat ding is onvoorstelbaar klein als je dat vergelijkt met de dagelijkse wereld”, verklaart professor Verbeeck. “Telkens als er een grote wagen door de Craeybeckxtunnel rijdt, verstoort dat het aardmagnetische veld al voldoende dat we het kunnen merken.”
 

EMAT’s diepe zakken

De financiering van zulke onderzoeksinfrastructuren gebeurt in Vlaanderen traditioneel vanuit het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO). EMAT biedt echter een internationale service aan onderzoekslabo’s in Europa, waardoor er ook getapt kon worden in de fondsen van Europese projecten. Een deel van de funding kwam ook vanuit de industrie, waar EMAT vaak mee in contact staat. “Het contact met industrie is van groot belang. Er gebeuren ongelooflijk veel coole dingen. Als je er niet mee oppast, zijn wij daar als unief totaal van afgesloten”, zegt professor Bals. “Met onze samenwerkingen proberen we altijd verder te gaan dan wat de standaard is en op die manier genereert dat dan succes en geld.” 

Met de komst van de nieuwe microscoop en de nauwe samenwerking met de industrie en internationale partners blijft EMAT niet stilstaan. De onderzoeksgroep kijkt resoluut vooruit, met een duidelijke ambitie voor de toekomst. Professor Bals concludeert: “We willen blijven inzetten op innovatief onderzoek, projecten waar niemand anders zich aan durft te wagen. Maar even belangrijk is dat onze ideeën niet in een paper blijven steken, maar ook hun weg vinden naar de maatschappij.”