Ce este sursa avansată de fotoni? Cum sunt făcute grinzile cu raze X ultra-strălucitoare

Este ora 4 a.m., iar eu am fost de aproximativ 20 de ore drept. O alarmă puternică se aprinde, însoțită de luminile roșii stroboase care clipeau. O voce severă anunță: "Căutați stația B. ieșiți imediat". Se simte ca o urgență, dar nu este. De fapt, alarma a dispărut deja de 60 sau de 70 de ori astăzi. Este un avertisment, permițând tuturor celor aflați în vecinătate să afle că sunt pe cale să distrug un fascicul cu raze X de mare putere într-o cameră mică, plină de echipamente electronice și de vapori de azot lichid vaporizat.

În centrul acestei camere, care se numește stația B, am așezat un cristal nu mai gros decât părul uman pe vârful unei fibre de sticlă minuscule. Am pregătit zeci de astfel de cristale și încerc să le analizez pe toți.

Aceste cristale sunt fabricate din materiale semiconductoare organice, care sunt folosite pentru a produce cipuri de calculator, lumini LED, ecrane smartphone și panouri solare. Vreau să aflu exact unde se află fiecare atom din interiorul cristalelor, cât de dens sunt și cum interacționează unul cu celălalt. Aceste informații mă vor ajuta să prezic cât de bine va curge electricitatea prin ele.

Pentru a vedea acești atomi și a le determina structura, am nevoie de ajutorul unui sincrotron, un instrument științific masiv, care conține o buclă de electroni lungi de kilometri, care se apropie aproape de viteza luminii. De asemenea, am nevoie de un microscop, un giroscop, azot lichid, un pic de noroc, un coleg talentat și un triciclu.

Ajungem la locul Crystal

Prima etapă a acestui experiment implică plasarea cristalelor super-mici pe vârful fibrei de sticlă. Eu folosesc un ac pentru a-mi rafina o gramada de ele pe un slide de sticla si le pun sub microscop. Cristalele sunt frumoase - colorate și fațete ca niște pietre prețioase. Adesea mă găsesc transfixat, privindu-mă cu ochii privați de somn în microscop și reorientându-mi privirea, înainte de a-mi înălța cu rău o persoană pe vârful unei fibre de sticlă.

Odată ce am obținut cristalul atașat fibrei, încep sarcina deseori frustrantă de centrare a cristalului pe vârful unui giroscop în interiorul postului B. Acest dispozitiv va roti cristalul în jur, încet și continuu, permițându-mi să obțin X- ray de la toate laturile.

Pe măsură ce se rotește, vaporii de azot lichid se folosesc pentru răcire: Chiar și la temperatura camerei, atomii vibrează înainte și înapoi, ceea ce face dificilă obținerea de imagini clare despre ele. Răcirea cristalului până la minus 196 grade Celsius, temperatura azotului lichid, face ca atomii să nu se miște atât de mult.

Fotografia cu raze X

Odată ce am centrifugatul centrat și răcit, închid stația B și de la un butuc de control al computerului în afara acestuia, distrugeți proba cu raze X. Imaginea rezultată, numită model de difracție, este afișată ca pete luminoase pe fundal portocaliu.

Ceea ce fac nu este foarte diferit de fotografia cu o cameră foto și un blitz. Sunt pe cale să trimit raze de lumină la un obiect și să înregistrez cum lumina se stinge de pe ea. Dar nu pot folosi lumina vizibilă pentru a fotografia atomii - sunt prea mici, iar lungimile de undă ale luminii din partea vizibilă a spectrului sunt prea mari. Razele X au lungimi de undă mai scurte, astfel încât acestea vor difracta sau ar putea sări de la atomi.

Cu toate acestea, spre deosebire de o cameră foto, difracția razelor X nu poate fi focalizată cu un obiectiv simplu. În loc de o imagine asemănătoare fotografiei, datele pe care le colectez sunt un model nefocus în locul în care au apărut razele X după ce au zburat de pe atomii din cristalul meu. Un set complet de date despre un cristal este alcătuit din aceste imagini preluate din orice unghi în jurul cristalului, pe măsură ce giroscopul se rotește.

Matematică avansată

Colegul meu, Nicholas DeWeerd, se află în apropiere, analizând seturile de date pe care le-am colectat deja.El a reușit să ignore alarmele blânde și lumina intermitentă timp de câteva ore, uitându-se la imagini de difracție pe ecranul său, pentru a transforma efectiv imaginile cu raze X din toate părțile cristalului într-o imagine a atomilor din interiorul cristalului însuși.

În anii trecuți, acest proces ar fi trebuit de ani de zile de calcule atent realizate manual, dar acum el folosește modelarea computerizată pentru a pune toate piesele împreună. El este expertul neoficial al grupului nostru de cercetare în această parte a puzzle-ului și îl iubește. "Este ca și Crăciunul!" L-am auzit mormăit, în timp ce el se răsucește prin clipirea imaginilor modelelor de difracție.

Zâmbesc la entuziasmul pe care a reușit să-l mențină atât de târziu în noaptea aceea, în timp ce aprind sincronul pentru a obține pozele mele de cristal așezat în stația B. Îmi țin respirația ca modele de difracție din primele câteva unghiuri apărute pe ecran. Nu toate cristalele diferă, chiar dacă am pus totul perfect. Adesea, acest lucru se datorează faptului că fiecare cristal este alcătuit din o mulțime de cristale chiar mai mici lipite împreună sau cristale care conțin prea multe impurități pentru a forma un model cristalin repetat pe care îl putem rezolva matematic.

Dacă aceasta nu oferă imagini clare, va trebui să încep și să înființez altul. Din fericire, în acest caz, primele imagini care apare arată pete de difracție luminoase și clare. Zâmbesc și stau în spate pentru a colecta restul setului de date. Acum, când giroscopul se mișcă și fasciculul de raze X explodează eșantionul, am câteva minute să mă relaxez.

Aș bea ceva cafea pentru a rămâne vigilent, dar mâinile mele se agită deja de supraîncărcarea cu cafeină. În schimb, îl chem pe Nick: "O să iau o tură." Merg la un grup de triciclete care stau în apropiere. În mod obișnuit, doar pentru a ajunge în jurul clădirii mari care conține sincrotronul, le găsesc la fel de util pentru o încercare disperată de a vă trezi cu un exercițiu.

În timp ce călătoresc, mă gândesc la cristalul montat pe giroscop. Am petrecut luni sintetizând-o, și în curând o să am o fotografie. Cu imaginea, voi înțelege dacă modificările pe care i le-am făcut, care o fac ușor diferită de alte materiale pe care le-am făcut în trecut, l-au îmbunătățit deloc. Dacă văd dovezi privind o mai bună îmbinare sau interacțiuni intermoleculare crescute, aceasta ar putea însemna că molecula este un candidat bun pentru testarea în dispozitivele electronice.

Epuizat, dar fericit pentru că colectez date utile, pedalez încet în jurul buclei, observând că sincrotronul este foarte solicitat. Când fasciculul rulează, este folosit 24 de ore din 24, și de aceea lucrez noaptea. Am avut noroc să obțin un interval de timp. La alte posturi, alți cercetători ca mine lucrează târziu în noapte.

Acest articol a fost publicat inițial în The Conversation by Kerry Rippy. Citiți articolul original aici.