Какво представлява Advanced Photon Source? Как се правят ултра-ярки рентгенови лъчи

Часът е от 4 часа сутринта и аз съм в продължение на около 20 часа. Бушува силна аларма, придружена от червени мигащи светлини. Суровият глас съобщава: „Търсещата станция Б. Излез веднага.“ Чувства се като извънредна ситуация, но не е така. Всъщност алармата вече изчезна 60 или 70 пъти днес. Това е предупреждение, което позволява на всички в околността да разберат, че ще издухвам силен рентгенов лъч в малка стая, пълна с електронно оборудване и струи за изпаряване на течен азот.

В центъра на тази стая, която се нарича станция Б, поставих кристал не по-дебел от човешка коса на върха на малко стъклено влакно. Подготвих десетки такива кристали и се опитвам да ги анализирам.

Тези кристали са направени от органични полупроводникови материали, които се използват за създаване на компютърни чипове, LED светлини, екрани на смартфони и слънчеви панели. Искам да разбера точно къде се намира всеки атом в кристалите, колко плътно са опаковани и как взаимодействат помежду си. Тази информация ще ми помогне да предвидя колко добре ще тече електричеството през тях.

За да види тези атоми и да определи тяхната структура, имам нужда от помощ от синхротрона, който е масивен научен инструмент, съдържащ километров цикъл от електрони, приближаващ се близо до скоростта на светлината. Имам нужда и от микроскоп, жироскоп, течен азот, малко късмет, надарен колега и триколка.

Получаване на Кристала на място

Първата стъпка от този експеримент е поставянето на супер-малките кристали на върха на стъкленото влакно. Използвам игла, за да изтърка купчина от тях върху стъклена пързалка и да ги поставя под микроскоп. Кристалите са красиви - цветни и фасетирани като малки скъпоценни камъни. Често се оказвам вцепенена, вперила поглед в микроскоп с очи, лишени от сън, и преориентирам погледа си, преди да приложа внимателно едно към върха на стъклено влакно.

След като прикрепя кристала към влакното, започвам често разочароващата задача да центрирам кристала на върха на жироскопа вътре в станция B. Това устройство ще върти кристала наоколо, бавно и непрекъснато, позволявайки ми да получа X- лъчеви изображения от всички страни.

Както се върти, течни азотни пари се използват за охлаждане: Дори при стайна температура атомите вибрират напред-назад, което затруднява получаването на ясни образи от тях. Охлаждането на кристала до минус 196 градуса по Целзий, температурата на течния азот, кара атомите да спрат толкова много.

Рентгенова фотография

Щом кристалът е центриран и охладен, затварям станция Б и от компютърния контролен център извън него взривявам пробата с рентгенови лъчи. Полученото изображение, наречено дифракционен модел, се показва като светли петна на оранжев фон.

Това, което правя, не се различава много от правенето на снимки с камера и светкавица. Тъкмо ще изпратя светлинни лъчи на обект и ще запиша как светлината се отразява от него. Но не мога да използвам видимата светлина, за да снимам атоми - те са твърде малки и дължините на светлината във видимата част на спектъра са твърде големи. Рентгеновите лъчи са с по-къси дължини на вълните, така че те ще дифрагират или отскачат от атоми.

Въпреки това, за разлика от камерата, дифракционните рентгенови лъчи не могат да бъдат фокусирани с обикновен обектив. Вместо снимка, подобна на снимка, събраните от мен данни са нефокусиран модел, на който рентгеновите лъчи отиват, след като отскочат от атомите в кристала ми. Пълен набор от данни за един кристал се състои от тези изображения, взети от всеки ъгъл около кристала, докато гироскопът го завърта.

Advanced Math

Моят колега, Никълъс Девърд, седи наблизо и анализира вече събраните данни.Той е успял да пренебрегне блещукащите аларми и мигащи светлини в продължение на часове, взирайки се в дифракционни изображения на екрана си, за да превърне рентгеновите изображения от всички страни на кристала в картина на атомите в самия кристал.

През последните години този процес може да е отнел години на внимателни изчисления, направени на ръка, но сега той използва компютърно моделиране, за да постави всички парчета заедно. Той е неофициален експерт на нашата изследователска група в тази част от пъзела и той го обича. - Това е като Коледа! - чух го да мърмори, докато прелистваше през блещукащи образи на дифракционни картини.

Усмихвам се на ентусиазма, който успя да поддържа толкова късно през нощта, когато пуснах синхроната, за да получа снимките на кристала, поставен на станция Б. Задържах дъха си, когато на екрана се появиха дифракционни мотиви от първите няколко ъгъла., Не всички кристали се разпръскват, дори и да съм направил всичко перфектно. Често това се дължи на факта, че всеки кристал се състои от много по-малки кристали, които са залепени заедно, или кристали, съдържащи твърде много примеси, за да образуват повтарящ се кристален модел, който можем да решим математически.

Ако това не дава ясни изображения, ще трябва да започна отново и да създам друг. За щастие, в този случай първите няколко изображения, които се появяват, показват ярки, ясни дифракционни петна. Усмихвам се и седя, за да събера останалата част от набора от данни. Сега, когато жироскопът се върти и рентгеновия лъч взривява пробата, имам няколко минути да се отпусна.

Ще пия кафе, за да бъда нащрек, но ръцете ми вече треперят от претоварване с кофеин. Вместо това се обаждам на Ник: „Ще направя обиколка.“ Отивам до група триколесни коли, които стоят наблизо. Обикновено се използва само за да заобикаля голямата сграда, съдържаща синхротрона, и ги намирам за еднакво полезни за отчаян опит да се събудят с някаква тренировка.

Докато карах, мисля за кристала, монтиран на жироскопа. Прекарах месеци в синтезирането му и скоро ще имам снимка. С тази картина ще разбера дали промените, които съм направил в него, които го правят малко по-различен от другите материали, които съм направил в миналото, са го подобрили изобщо. Ако виждам доказателства за по-добро опаковане или повишени междумолекулни взаимодействия, това може да означава, че молекулата е добър кандидат за тестване в електронни устройства.

Изтощен, но щастлив, защото събирам полезни данни, бавно обикалям педала около контура, като отбелязвам, че синхротронът се нуждае от голямо търсене. Когато линията на лъча работи, тя се използва 24/7, поради което работя през нощта. Имах късмет, че изобщо имах време. На други станции други изследователи като мен работят късно през нощта.

Тази статия е първоначално публикувана на разговор от Кери Рипи. Прочетете оригиналната статия тук.