Čo je to Advanced Photon Source? Ako vznikajú ultra-jasné röntgenové lúče

Je to o 4:00 a ja som bol asi 20 hodín rovno. Hlasný poplach sa ozve blikajúcim červeným svetlom. Zadný hlas oznamuje: „Vyhľadávacia stanica B. Okamžite opustite.“ Je to pocit núdze, ale nie je to tak. V skutočnosti, alarm už odišiel 60 alebo 70 krát dnes. Je to varovanie, ktoré umožňuje každému v blízkosti vedieť, že sa chystám vyhodiť vysoko výkonný röntgenový lúč do malej miestnosti plnej elektronických zariadení a sĺnk odparujúcich kvapalný dusík.

V strede tejto miestnosti, ktorá sa nazýva stanica B, som umiestnil na špičku drobného skleneného vlákna kryštál nie hrubší ako ľudské vlasy. Pripravil som desiatky týchto kryštálov a snažím sa ich analyzovať.

Tieto kryštály sú vyrobené z organických polovodivých materiálov, ktoré sa používajú na výrobu počítačových čipov, LED svetiel, obrazoviek smartfónov a solárnych panelov. Chcem presne zistiť, kde sa nachádza každý atóm vo vnútri kryštálov, ako sú husto zabalené a ako vzájomne pôsobia. Tieto informácie mi pomôžu predpovedať, ako cez ne bude prúdiť elektrina.

Aby som videl tieto atómy a určil ich štruktúru, potrebujem pomoc synchrotronu, ktorý je masívnym vedeckým nástrojom, ktorý obsahuje kilometer dlhú slučku elektrónov, ktorá sa približuje k rýchlosti svetla. Potrebujem tiež mikroskop, gyroskop, tekutý dusík, trochu šťastia, nadaného kolegu a trojkolku.

Získanie Crystal v mieste

Prvý krok tohto experimentu zahŕňa umiestnenie super-malých kryštálov na špičku skleneného vlákna. Používam ihlu na zoškrabanie ich hromady na sklenenom sklíčku a dajte ich pod mikroskop. Kryštály sú krásne farebné a fasetované ako malé kamene. Často som sa ocitla transfixovaná, pozerajúc do mikroskopu oči s nedostatkom spánku a znova som zaostrovala na môj pohľad, kým som sa naň opatrne obrátila na špičku skleneného vlákna.

Akonáhle som dostal kryštál pripojený k vláknu, začnem často frustrujúce úlohu centrovať kryštál na špičke gyroskopu v stanici B. Toto zariadenie bude otáčať kryštál okolo, pomaly a nepretržite, čo mi umožňuje získať X- lúče zo všetkých strán.

Keď sa točí, na ochladzovanie sa používa parný plynný dusík: dokonca aj pri izbovej teplote atómy vibrujú tam a späť, takže je ťažké získať z nich jasný obraz. Chladenie kryštálu na mínus 196 stupňov Celzia, teplota kvapalného dusíka, spôsobuje, že sa atómy zastavia tak veľa.

X-ray fotografovanie

Akonáhle mám kryštál vycentrovaný a ochladený, uzavriem stanicu B a z počítačového riadiaceho náboja mimo nej roztrhnem vzorku röntgenovými lúčmi. Výsledný obraz, nazývaný difraktogram, sa zobrazuje ako svetlé škvrny na oranžovom pozadí.

Čo robím, nie je veľmi odlišné od fotografovania s fotoaparátom a bleskom. Chystám sa poslať svetelné lúče na objekt a zaznamenať, ako sa od neho odrazí svetlo. Nemôžem však použiť viditeľné svetlo na fotografovanie atómov - sú príliš malé a vlnové dĺžky svetla vo viditeľnej časti spektra sú príliš veľké. X-lúče majú kratšie vlnové dĺžky, takže budú difrakovať alebo odraziť atómy.

Na rozdiel od fotoaparátu však nie je možné pomocou röntgenových lúčov zaostriť jednoduchým objektívom. Namiesto fotografie podobnej fotografii sú údaje, ktoré zbieram, neostrým vzorom, kde sa röntgenové lúče dostali po odrazení atómov v mojom kryštáli. Celá množina údajov o jednom kryštáliku sa skladá z týchto snímok zhotovených z každého uhla okolo kryštálu, ako ho točí gyroskop.

Pokročilá matematika

Môj kolega Nicholas DeWeerd sedí neďaleko a analyzuje súbory údajov, ktoré som už zozbieral.Podarilo sa mu ignorovať poplašné signály a blikajúce svetlá celé hodiny, pozerajúc na difrakčné obrazy na obrazovke, aby v skutočnosti obrátili röntgenové snímky zo všetkých strán kryštálu na obraz atómov vo vnútri samotného kryštálu.

V minulých rokoch mohol tento proces trvať roky opatrných výpočtov ručne, ale teraz používa počítačové modelovanie, aby dal všetky kusy dohromady. V tejto časti puzzle je neoficiálnym expertom našej výskumnej skupiny a miluje ho. „Je to ako Vianoce!“ Počul som, ako mumlá, keď prechádza blikajúcimi obrazmi difrakčných vzorov.

Usmievam sa nad nadšením, ktoré sa mu podarilo udržať tak neskoro do noci, keď som zapálil synchotrón, aby som dostal svoje obrázky kryštálu posadeného v stanici B. Držím dych, keď sa na obrazovke objavia difrakčné vzory z prvých niekoľkých uhlov, Nie všetky kryštály sa rozptyľujú, aj keď všetko dokonale nastavím. Často je to preto, lebo každý kryštál je tvorený množstvom ešte menších kryštálov, ktoré sú zlepené dohromady, alebo kryštálmi obsahujúcimi príliš veľa nečistôt na vytvorenie opakovaného kryštalického vzoru, ktorý môžeme matematicky vyriešiť.

Ak tento obrázok neposkytuje jasné obrázky, budem musieť začať znova a nastaviť iný. Našťastie, v tomto prípade, prvých pár obrázkov, ktoré sa objavia, ukazuje jasné, jasné difrakčné body. Usmievam sa a sadnem si, aby som zozbieral zvyšok dátového súboru. Teraz, keď sa gyroskop víri a röntgenový lúč vystrelí vzorku, mám niekoľko minút na relaxáciu.

Pila by som nejakú kávu, aby som zostala ostražitá, ale moje ruky sa už triasť z preťaženia kofeínom. Namiesto toho zavolám na Nicka: „Chystám sa na kolo.“ Prechádzam k skupine trojkoliek, ktoré sedia v blízkosti. Bežne sa používa len na to, aby ste sa dostali okolo veľkej budovy obsahujúcej synchrotrón, považujem za rovnako užitočné pre zúfalý pokus o prebudenie s nejakým cvičením.

Keď jazdím, myslím na kryštál namontovaný na gyroskope. Strávil som mesiace syntetizáciou a čoskoro budem mať obrázok. S týmto obrazom budem chápať, či úpravy, ktoré som urobil, ktoré ho trochu odlišujú od iných materiálov, ktoré som urobil v minulosti, ho vôbec vylepšili. Ak vidím dôkazy o lepšom balení alebo zvýšených intermolekulových interakciách, môže to znamenať, že molekula je vhodným kandidátom na testovanie v elektronických zariadeniach.

Vyčerpaný, ale šťastný, pretože zbieram užitočné údaje, pomaly som šliapal okolo slučky, poznamenávajúc, že ​​synchrotrón je vo vysokej dopyte. Keď lúč svieti, používa sa 24 hodín denne, 7 dní v týždni, a preto pracujem cez noc. Mal som šťastie, že som dostal časový úsek. Na iných staniciach, iní výskumníci ako ja pracujú neskoro do noci.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Kerry Rippy. Prečítajte si pôvodný článok.