Co je to pokročilý zdroj fotonů? Jak jsou vyrobeny ultra-jasné rentgenové paprsky

Je to 4 hodiny dopoledne. Hlasitý poplach se ozývá blikajícím červeným bleskem. Ozve se přísný hlas: „Vyhledávací stanice B. Okamžitě odejděte.“ Cítí se jako nouzová situace, ale není to tak. Ve skutečnosti, alarm už odešel 60 nebo 70 krát dnes. Je to varování, umožňující každému v okolí vědět, že se chystám vypálit rentgenový paprsek s vysokým výkonem do malé místnosti plné elektronických zařízení a chrlí odpařujícího se kapalného dusíku.

Ve středu této místnosti, která se nazývá stanice B, jsem na špičku drobného skleněného vlákna umístil krystal ne tlustší než lidské vlasy. Připravil jsem desítky těchto krystalů a snažím se je všechny analyzovat.

Tyto krystaly jsou vyrobeny z organických polovodivých materiálů, které se používají k výrobě počítačových čipů, LED světel, obrazovek pro smartphone a solárních panelů. Chci přesně zjistit, kde se nachází každý atom uvnitř krystalů, jak hustě jsou zabaleny a jak spolu vzájemně ovlivňují. Tyto informace mi pomohou předvídat, jak bude elektřinou proudit.

Abych viděl tyto atomy a určil jejich strukturu, potřebuji pomoc synchrotronu, což je masivní vědecký nástroj, který obsahuje kilometr dlouhou smyčku elektronů, přibližující se kolem rychlosti světla. Potřebuji také mikroskop, gyroskop, tekutý dusík, trochu štěstí, nadaného kolegu a tříkolku.

Dostat Crystal v místě

První krok tohoto experimentu zahrnuje umístění super-drobných krystalů na špičku skleněného vlákna. Použiju jehlu, abych se sešroubovala na skleněnou podložku a položila je pod mikroskop. Krystaly jsou krásné - barevné a tváří jako malé drahé kameny. Často jsem se ocitl transfixovaný, upřeně se díval do mikroskopu spícími očima a znovu se zaměřil na oči, než jsem je opatrně přemluvil na špičku skleněného vlákna.

Jakmile jsem dostal krystal připojený k vláknu, začnu často frustrující úkol soustředit krystal na špičku gyroskopu uvnitř stanice B. Toto zařízení bude otáčet krystal kolem, pomalu a nepřetržitě, což mi umožní dostat X- paprsky ze všech stran.

Když se točí, kapalné dusíkaté páry se používají k ochlazení: I při pokojové teplotě, atomy vibrovat tam a zpět, takže je těžké získat z nich jasný obraz. Chlazení krystalu na mínus 196 stupňů Celsia, teplota tekutého dusíku, způsobí, že se atomy přestanou tolik pohybovat.

X-ray fotografie

Jakmile mám krystal vycentrovaný a chlazený, uzavírám stanici B a z počítačového rozbočovače mimo něj vypálím vzorek rentgenovými paprsky. Výsledný obraz, zvaný difrakční obrazec, se zobrazuje jako světlé skvrny na oranžovém pozadí.

To, co dělám, se příliš neliší od fotografování s fotoaparátem a bleskem. Chystám se poslat světelné paprsky na objekt a zaznamenat, jak se od něj světlo odrazí. Ale nemohu použít viditelné světlo k fotografování atomů - jsou příliš malé a vlnové délky světla ve viditelné části spektra jsou příliš velké. Rentgenové paprsky mají kratší vlnové délky, takže se budou rozptylovat nebo odrazit od atomů.

Na rozdíl od kamery však nemůže být rentgenové záření s difrakcí zaměřeno jednoduchým objektivem. Namísto obrázku podobného fotografiím jsou data, která sbírám, neostrým vzorem, kde rentgenové paprsky šly poté, co odrazily atomy v mém krystalu. Celá sada dat o jednom krystalu je tvořena těmito obrazy pořízenými z každého úhlu všude kolem krystalu, když to gyroskop otáčí.

Pokročilá matematika

Můj kolega Nicholas DeWeerd sedí poblíž a analyzuje data, která jsem již shromáždil.Podařilo se mu ignorovat blikající alarmy a blikající světla po celé hodiny, zírající na difrakční obrazy na obrazovce, aby ve skutečnosti otočili rentgenové snímky ze všech stran krystalu do obrazu atomů uvnitř samotného krystalu.

V minulých letech by tento proces mohl trvat roky opatrných výpočtů prováděných ručně, ale nyní používá počítačové modelování k tomu, aby všechny kusy spojil dohromady. V této části puzzle je neoficiálním expertem naší výzkumné skupiny a miluje ho. „Je to jako Vánoce!“ Slyšela jsem ho, jak mumlá, když prochází třpytivými obrazy difrakčních obrazců.

Usmívám se na nadšení, které se mu podařilo udržet tak pozdě až do noci, když jsem vystřelil synchotron, abych získal obrázky křišťálu ve stanici B. Držím dech jako difrakční vzory z prvních několika úhlů na obrazovce. Ne všechny krystaly se rozptylují, i když všechno dokonale nastavím. Často je to proto, že každý krystal je tvořen spoustou ještě menších krystalů, které jsou slepené dohromady, nebo krystaly obsahující příliš mnoho nečistot, které tvoří opakující se krystalický vzor, ​​který můžeme matematicky vyřešit.

Pokud tento obrázek nevydá jasné obrázky, budu muset začít znovu a nastavovat další. Naštěstí, v tomto případě, prvních pár obrázků, které se objevují, ukazuje jasné, jasné difrakční body. Usmál jsem se a posadil jsem se, abych shromáždil zbytek datové sady. Nyní, když se gyroskop víří a rentgenový paprsek vybuchne vzorek, mám pár minut na relaxaci.

Chtěl bych pít kávu, abych zůstal ostražitý, ale moje ruce se již třesou z přetížení kofeinem. Namísto toho jsem zavolal na Nicka: „Já se chystám na kolo.“ Přejdu do skupiny tříkolek, které sedí poblíž. Obvykle se používají jen k tomu, aby se dostali kolem velké budovy obsahující synchrotron, považuji za stejně užitečné pro zoufalý pokus probudit se s nějakým cvičením.

Když jezdím, myslím na krystal namontovaný na gyroskopu. Strávil jsem měsíce a syntetizoval to a brzy budu mít obrázek. S tímto obrázkem pochopím, zda úpravy, které jsem udělal, které ho trochu odlišují od jiných materiálů, které jsem vytvořil v minulosti, ho vylepšily. Pokud uvidím důkazy o lepším zabalení nebo zvýšených intermolekulárních interakcích, mohlo by to znamenat, že molekula je vhodným kandidátem pro testování v elektronických zařízeních.

Vyčerpaná, ale šťastná, protože jsem sbírala užitečná data, pomalu jsem šla kolem smyčky a všimla si, že synchrotron je ve vysoké poptávce. Když paprsek běží, je používán 24/7, což je důvod, proč pracuji přes noc. Měla jsem štěstí, že jsem dostala čas. Na jiných stanicích pracují další výzkumníci, jako jsem já, pozdě do noci.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Kerry Rippy. Přečtěte si originální článek zde.