Шта је напредни извор фотона? Како се праве ултра светли рендгенски снопови

Четрнаест је сати, а ја сам већ око 20 сати у реду. Јавља се гласан аларм, праћен црвеним светлећим лампицама. Крмени глас најављује: "Станица за претраживање Б. Одмах изађите." Осјећам се као хитна, али није. Заправо, аларм је већ отишао 60 или 70 пута данас. То је упозорење, пуштајући да сви у околини знају да ћу бацити снажан рендгенски зрак у малу просторију пуну електронске опреме и струје испаравања течног азота.

У средишту ове просторије, која се зове станица Б, ставио сам кристал који није дебљи од људске косе на врху малог стакленог влакна. Припремио сам на десетине ових кристала и покушавам их све анализирати.

Ови кристали су направљени од органских полупроводничких материјала, који се користе за израду компјутерских чипова, ЛЕД лампи, екрана паметних телефона и соларних панела. Желим да сазнам тачно где се налази сваки атом унутар кристала, колико су густо паковани и како они међусобно делују. Ове информације ће ми помоћи да предвидим како ће струја пролазити кроз њих.

Да би видели ове атоме и одредили њихову структуру, потребна ми је помоћ синхротрона, који је масивни научни инструмент који садржи километар дугу петљу електрона који зумира око брзине светлости. Такође ми је потребан микроскоп, жироскоп, течни азот, мало среће, надарени колега и трицикл.

Добијање Кристала на месту

Први корак овог експеримента је постављање супер-ситних кристала на врх стаклених влакана. Користим иглу да их скупим заједно на стаклену плочицу и ставим под микроскоп. Кристали су лепи - шарени и фасетирани као мали драгуљи. Често се осећам затечено, гледајући у микроскоп очима без сна, и преусмеравајући поглед пре него што мукотрпно наговорим један на врх стаклених влакана.

Једном када добијем кристал причвршћен за влакно, почињем често фрустрирајући задатак центрирања кристала на врху жироскопа унутар станице Б. Овај уређај ће окретати кристал около, полако и континуирано, што ће ми омогућити да добијем Кс- слике са свих страна.

Док се врти, за хлађење се користи пара текућег азота: чак и на собној температури, атоми вибрирају напријед-назад, што отежава добијање јасних слика о њима. Хлађење кристала на минус 196 степени Целзијуса, температура течног азота, чини да се атоми толико зауставе.

Кс-раи фотографија

Када се кристал центрира и охлади, затварам станицу Б, а из компјутерског контролног чворишта изван ње, разбијам узорак рендгенским зракама. Добијена слика, названа дифракциони образац, приказује се као светле тачке на наранџастој позадини.

Оно што ја радим није много другачије од фотографисања фотоапарата и блица. Управо ћу послати свјетлосне зраке на неки објект и забиљежити како се свјетло одбија од њега. Али не могу да користим видљиву светлост да фотографишем атоме - они су сувише мали, а таласне дужине светлости у видљивом делу спектра су превелике. Кс-зраци имају краће таласне дужине, тако да ће се дифрактовати или одбијати од атома.

Међутим, за разлику од фотоапарата, дифрактирани рендгенски зраци не могу бити фокусирани једноставним објективом. Уместо слике сличне фотографији, подаци које прикупљам су неусмерени узорак одакле су Кс-зраци отишли ​​након што су одбили атоме у мом кристалу. Комплетан скуп података о једном кристалу састоји се од ових слика узетих из сваког угла око кристала док га жироскоп окреће.

Адванцед Матх

Мој колега, Ницхолас ДеВеерд, седи у близини и анализира скупове података које сам већ прикупио.Успио је сатима игнорирати трепереће аларме и трепћућа свјетла, зурећи у дифракцијске слике на свом екрану да би, у ствари, претворио рендгенске слике са свих страна кристала у слику атома унутар самог кристала.

У протеклим годинама, овај процес је можда трајао године пажљивих прорачуна ручно, али сада он користи компјутерско моделирање да све делове стави заједно. Он је незванични стручњак наше истраживачке групе у овом дијелу слагалице, и он то воли. "То је као Божић!" Чујем га како мрмља, док се пребацује кроз трептајуће слике дифракцијских образаца.

Осмехивам се на ентузијазам који је успео да одржи тако касно у ноћ, када сам запалио синхротрон да бих добио слике кристала смештене у станици Б. Задржавам дах док се на екрану појављују дифракцијски узорци из првих неколико углова.. Нису сви кристали разлупани, чак и ако сам све савршено подесио. Често је то зато што је сваки кристал сачињен од мноштва још мањих кристала који су спојени, или кристала који садрже превише нечистоћа да би формирали понављајући кристални узорак који можемо математички ријешити.

Ако овај не испоручи јасне слике, мораћу да почнем изнова и да поставим другу. Срећом, у овом случају, првих неколико слика које се појављују показују светле, јасне дифракционе тачке. Осмехујем се и седим да сакупим остатак података. Сада, док се жироскоп ковитла и рендгенски зрак сипао узорак, имам неколико минута да се опустим.

Попио бих кафу да бих био на опрезу, али моје руке се већ тресу од преоптерећења кофеином. Уместо тога, позивам Ника: "Идем у крило." Отишао сам до групе трицикала која су седела у близини. Обично се користи само да би се заобишла велика зграда која садржи синхротрон, и сматрам да су они једнако корисни за очајнички покушај да се пробуде са неком вежбом.

Док се возим, мислим на кристал постављен на жироскопу. Провео сам месеце у синтетизацији и ускоро ћу имати слику о томе. Са сликом, схватит ћу да ли су измјене које сам направила, које га чине мало другачијим од других материјала које сам направио у прошлости, уопће побољшале. Ако видим доказе бољег паковања или повећане интермолекуларне интеракције, то би могло значити да је молекул добар кандидат за тестирање у електронским уређајима.

Исцрпљен, али сретан јер скупљам корисне податке, полако крећем око петље, примијетивши да је синкротрон у великој потражњи. Када се зрачна линија изводи, она се користи 24/7, због чега и радим преко ноћи. Имао сам среће што сам добио временски слот. На другим станицама, други истраживачи попут мене раде до касно у ноћ.

Овај чланак је првобитно објављен на конверзацији Керри Риппи. Прочитајте оригинални чланак овде.