Co to jest zaawansowane źródło fotonów? Jak powstają ultra jasne promienie rentgenowskie

Jest godzina czternasta, a ja pracuję od około 20 godzin. Rozlega się głośny alarm, któremu towarzyszą migające czerwone światła stroboskopowe. Surowy głos oznajmia: „Stacja przeszukiwania B. Natychmiast wyjdź”. Czuje się jak w nagłym wypadku, ale tak nie jest. W rzeczywistości alarm zgasł już 60 lub 70 razy dzisiaj. Jest to ostrzeżenie, pozwalające każdemu w pobliżu wiedzieć, że zaraz zaatakuję promieniowanie rentgenowskie o dużej mocy do małego pokoju pełnego sprzętu elektronicznego i pióropuszy odparowującego ciekłego azotu.

Na środku tego pokoju, zwanego stacją B, umieściłem kryształ nie grubszy niż ludzki włos na czubku małego włókna szklanego. Przygotowałem dziesiątki tych kryształów i próbuję przeanalizować je wszystkie.

Kryształy te są wykonane z organicznych materiałów półprzewodnikowych, które są używane do wytwarzania chipów komputerowych, świateł LED, ekranów smartfonów i paneli słonecznych. Chcę się dowiedzieć dokładnie, gdzie znajduje się każdy atom w kryształach, jak gęsto są one upakowane i jak ze sobą oddziałują. Te informacje pomogą mi przewidzieć, jak dobrze przepłynie przez nie energia elektryczna.

Aby zobaczyć te atomy i określić ich strukturę, potrzebuję pomocy synchrotronu, który jest potężnym instrumentem naukowym zawierającym kilometrową pętlę elektronów, która przybliża się z prędkością bliską prędkości światła. Potrzebuję także mikroskopu, żyroskopu, ciekłego azotu, odrobiny szczęścia, utalentowanego kolegi i trójkołowca.

Zdobycie Crystal in Place

Pierwszy etap tego eksperymentu polega na umieszczeniu bardzo małych kryształków na czubku włókna szklanego. Używam igły, aby zeskrobać ich stos na szklanym szkiełku i umieścić je pod mikroskopem. Kryształy są piękne - kolorowe i fasetowane jak małe kamienie szlachetne. Często wpadam w szał, wpatrując się w pozbawione snu oczy w mikroskop i ponownie skupiając wzrok, po czym starannie nakłaniając je do czubka włókna szklanego.

Kiedy już dostanę kryształ do włókna, zaczynam często frustrujące zadanie centrowania kryształu na końcówce żyroskopu wewnątrz stacji B. To urządzenie będzie obracać kryształ wokół, powoli i ciągle, pozwalając mi uzyskać X- promienie obrazów ze wszystkich stron.

Gdy się kręci, opary ciekłego azotu są używane do jego ochłodzenia: nawet w temperaturze pokojowej atomy wibrują tam iz powrotem, przez co trudno jest uzyskać wyraźne ich obrazy. Chłodzenie kryształu do minus 196 stopni Celsjusza, temperatury ciekłego azotu, powoduje, że atomy przestają się tak bardzo poruszać.

Fotografia rentgenowska

Kiedy już wyśrodkuję kryształ i ochłodzę go, zamykam stację B i z piasty kontrolnej komputera na zewnątrz wysadzam próbkę promieniami X. Uzyskany obraz, zwany wzorem dyfrakcyjnym, jest wyświetlany jako jasne punkty na pomarańczowym tle.

To, co robię, nie różni się zbytnio od robienia zdjęć aparatem i lampą błyskową. Zamierzam wysłać promienie światła do obiektu i zarejestrować, jak światło odbija się od niego. Ale nie mogę używać światła widzialnego do fotografowania atomów - są one zbyt małe, a długości fal światła w widzialnej części widma są zbyt duże. Promienie X mają krótsze długości fal, więc będą się dyfrakować lub odbijać od atomów.

Jednak w przeciwieństwie do kamery, ugięte promienie rentgenowskie nie mogą być skupione za pomocą prostego obiektywu. Zamiast obrazu podobnego do fotografii, dane, które gromadzę, są nieostrym wzorcem tego, gdzie poszły promienie X po odbiciu od atomów w moim krysztale. Pełny zestaw danych o jednym krysztale składa się z tych obrazów zrobionych z każdego kąta wokół kryształu, gdy żyroskop je obraca.

Zaawansowana matematyka

Mój kolega, Nicholas DeWeerd, siedzi w pobliżu, analizując zbiory danych, które już zebrałem.Udało mu się zignorować błyszczejące alarmy i migające światła przez wiele godzin, wpatrując się w obrazy dyfrakcyjne na ekranie, aby w efekcie zamienić obrazy rentgenowskie ze wszystkich stron kryształu w obraz atomów w samym krysztale.

W minionych latach proces ten mógł wymagać lat dokładnych obliczeń wykonanych ręcznie, ale teraz wykorzystuje modelowanie komputerowe, aby połączyć wszystkie elementy. Jest nieoficjalnym ekspertem naszej grupy badawczej w tej części układanki i uwielbia to. „To jest jak Boże Narodzenie!” Słyszę, jak mruczy, kiedy przegląda migoczące obrazy wzorów dyfrakcyjnych.

Uśmiecham się z entuzjazmu, jaki udało mu się utrzymać tak późno w nocy, kiedy odpalam synchotron, żeby moje zdjęcia kryształu usiadły na stacji B. Wstrzymuję oddech, gdy na ekranie pojawiają się wzory dyfrakcji z pierwszych kilku kątów. Nie wszystkie kryształy ulegają dyfrakcji, nawet jeśli wszystko zostało idealnie ustawione. Często jest tak, ponieważ każdy kryształ składa się z wielu jeszcze mniejszych kryształów sklejonych razem lub kryształów zawierających zbyt wiele zanieczyszczeń, aby utworzyć powtarzający się wzór krystaliczny, który możemy matematycznie rozwiązać.

Jeśli ten nie dostarcza wyraźnych obrazów, będę musiał zacząć od nowa i skonfigurować inny. Na szczęście w tym przypadku kilka pierwszych wyświetlanych obrazów pokazuje jasne, wyraźne plamki dyfrakcyjne. Uśmiecham się i siadam, aby zebrać resztę zestawu danych. Teraz, gdy wir żyroskopowy i wiązka promieni rentgenowskich wybuchają próbkę, mam kilka minut na relaks.

Wypiłbym kawę, żeby zachować czujność, ale moje ręce już się trzęsą z powodu przeciążenia kofeiną. Zamiast tego dzwonię do Nicka: „Zrobię sobie okrążenie”. Podchodzę do grupy siedzących w pobliżu trójkołowców. Zwykle używane tylko do poruszania się po dużym budynku zawierającym synchrotron, uważam je za równie pomocne w desperackiej próbie przebudzenia się z pewnym wysiłkiem.

Kiedy jeżdżę, myślę o krysztale zamontowanym na żyroskopie. Spędziłem miesiące, syntetyzując go, a wkrótce będę miał jego zdjęcie. Dzięki temu obrazowi zrozumiem, czy wprowadzone przeze mnie modyfikacje, które sprawiają, że są nieco inne niż inne materiały, które zrobiłem w przeszłości, poprawiły go w ogóle. Jeśli zobaczę dowody na lepsze upakowanie lub zwiększone oddziaływania międzycząsteczkowe, może to oznaczać, że cząsteczka jest dobrym kandydatem do testowania w urządzeniach elektronicznych.

Wyczerpany, ale szczęśliwy, ponieważ gromadzę użyteczne dane, powoli poruszam się wokół pętli, zauważając, że synchrotron jest bardzo poszukiwany. Gdy linia promienia jest uruchomiona, jest używana 24 godziny na dobę, dlatego pracuję przez całą noc. Miałem szczęście, że w ogóle dostałem przedział czasowy. Na innych stacjach inni badacze tacy jak ja pracują do późna w nocy.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Kerry Rippy. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.