Kaj je napredni fotonski vir? Kako so izdelani ultra svetli žarki z rentgenskimi žarki

To je 4 ure zjutraj, in jaz sem že približno 20 ur naravnost. Glasen alarm zasveti, skupaj z rdečimi utripajočimi lučkami. Krmeni glas napoveduje: "Iskalna postaja B. Izhod takoj." Zdi se, da je nujna, vendar ni. Pravzaprav je alarm že izginil 60 ali 70 krat danes. To je opozorilo, s katerim lahko vsi v bližini vedo, da bom v zrak napolnil močan žarek rentgenskih žarkov v majhno sobo, ki je polna elektronske opreme in plamenov izhlapevanja tekočega dušika.

V središču te sobe, ki se imenuje postaja B, sem na konico drobnega steklenih vlaken postavil kristal, ki ni debelejši od človeških las. Pripravil sem na desetine teh kristalov in poskušam jih vse analizirati.

Ti kristali so izdelani iz organskih polprevodniških materialov, ki se uporabljajo za izdelavo računalniških čipov, LED luči, zaslonov s pametnimi telefoni in sončnih celic. Želim natančno ugotoviti, kje se nahaja vsak atom v kristalih, kako gosto so pakirani in kako medsebojno delujejo. Te informacije mi bodo pomagale napovedati, kako dobro bo pretakala električna energija skozi njih.

Da bi videli te atome in določili njihovo strukturo, potrebujem pomoč sinhrotrona, ki je ogromen znanstveni instrument, ki vsebuje kilometrsko zanko elektronov, ki se približuje hitrosti svetlobe. Potrebujem tudi mikroskop, žiroskop, tekoči dušik, malo sreče, nadarjenega kolega in tricikel.

Pridobitev kristala

Prvi korak tega eksperimenta je, da na vrh steklenih vlaken namestimo super-drobne kristale. Z iglo jih strgam skupaj na stekleno stekelce in jih postavim pod mikroskop. Kristali so lepi - pisani in obrobljeni kot majhni dragi kamni. Pogosto se mi zdi prepredena, strmim z očmi, ki so prikrajšane za spanjem, v mikroskop, in preusmerim pogled, preden skrbno nagovarjam enega na konico steklenih vlaken.

Ko sem kristal pritrdil na vlakno, začnem pogosto frustrirajočo nalogo centriranja kristala na konici giroskopa znotraj postaje B. Ta naprava bo vrtila kristal okoli, počasi in neprekinjeno, kar mi omogoča, da dobim X- slike z vseh strani.

Ko se vrti, se za hlajenje uporabijo pare tekočega dušika: Tudi pri sobni temperaturi atomi vibrirajo naprej in nazaj, kar otežuje pridobivanje jasnih slik o njih. Hlajenje kristala na minus 196 stopinj Celzija, temperatura tekočega dušika, povzroči, da se atomi toliko ustavijo.

Rentgenska fotografija

Ko je kristal centriran in ohlajen, zaprem postajo B in iz računalniškega krmilnega vozlišča izven njega razstrelim vzorec z rentgenskimi žarki. Dobljena slika, imenovana difrakcijski vzorec, je prikazana kot svetle pike na oranžnem ozadju.

Kar delam, se ne razlikuje veliko od fotografiranja s fotoaparatom in bliskavico. Na objekt bom poslal svetlobne žarke in zapisal, kako se svetloba odbija od njega. Ampak ne morem uporabiti vidne svetlobe za fotografiranje atomov - premajhne so in valovne dolžine svetlobe v vidnem delu spektra so prevelike. Rentgenske žarke imajo krajše valovne dolžine, tako da se bodo odbili ali odbili od atomov.

Za razliko od fotoaparata pa difrakturirani rentgenski žarki ne morejo biti osredotočeni s preprostim objektivom. Namesto slike podobne fotografiji so podatki, ki jih zbiram, neosredotočen vzorec, kamor so šli X-žarki po tem, ko so se odbili od atomov v mojem kristalu. Celoten sklop podatkov o enem kristalu je sestavljen iz teh slik, vzetih iz vsakega kota okoli kristala, ko ga žiroskop vrti.

Napredno matematiko

Moj kolega Nicholas DeWeerd sedi v bližini in analizira zbirke podatkov, ki sem jih že zbral.Uspelo mu je nekaj ur prezreti budilke in utripajoče luči, gledati na difrakcijskih slikah na svojem zaslonu in dejansko obrniti rentgenske slike z vseh strani kristala v sliko atomov znotraj samega kristala.

V preteklih letih je ta proces morda zahteval dolgoletne ročne izračune, zdaj pa uporablja računalniško modeliranje, da združi vse kose. On je neuradni strokovnjak naše raziskovalne skupine na tem delu sestavljanke in ga ima rad. »Kot božič je!« Slišim ga, kako mrmra, ko se obrne skozi svetleče slike difrakcijskih vzorcev.

Nasmehnem se navdušenju, ki mu ga je uspelo obdržati tako pozno v noč, ko požarim sinhronizacijo, da dobim slike kristala na postaji B. Zadržim sapo, ko se na zaslonu pojavijo difrakcijski vzorci iz prvih nekaj kotov.. Vsi kristali se ne odbijajo, četudi sem vse popolnoma nastavil. Pogosto je to zato, ker je vsak kristal sestavljen iz množice še manjših kristalov, ki so obtičali skupaj, ali kristalov, ki vsebujejo preveč nečistoč, da tvorijo ponavljajoč se kristalni vzorec, ki ga lahko matematično rešimo.

Če ta ne prinaša jasnih slik, bom moral začeti znova in nastaviti drugo. Na srečo, v tem primeru, prvih nekaj slik, ki se pojavijo, kažejo svetle, jasne difrakcijske lise. Nasmehnem in sedim nazaj, da zberem preostanek podatkovnega niza. Zdaj, ko se vrtavka giroskopa in rentgenski žarek razbije vzorec, imam nekaj minut, da se sprostim.

Pila bi kavo, da bi bila pozorna, toda moje roke se že tresejo od preobremenjenosti s kofeinom. Namesto tega pokličem Nicka: "Vzel bom krog." Prišel sem do skupine triciklov, ki so sedela v bližini. Običajno se uporablja samo zato, da se okrog velike stavbe, ki vsebuje sinhrotron, zdijo enako koristne za obupan poskus, da se zbudi z nekaj vadbe.

Ko se vozim, pomislim na kristal, nameščen na žiroskopu. Mesece sem sintetiziral in kmalu bom imel sliko. S sliko bom razumel, ali so spremembe, ki sem jih naredil, zaradi česar je nekoliko drugačen od drugih materialov, ki sem jih naredil v preteklosti, sploh izboljšal. Če vidim dokaze o boljšem pakiranju ali povečanih intermolekularnih interakcijah, bi to lahko pomenilo, da je molekula dober kandidat za testiranje v elektronskih napravah.

Izčrpana, vendar zadovoljna, ker zbiram koristne podatke, počasi vrtim okoli zanke, pri čemer ugotavljam, da je sinhrotron zelo potreben. Ko se žarek izvaja, se uporablja 24/7, zato delam čez noč. Imel sem srečo, da sem sploh dobil časovno režo. Na drugih postajah drugi raziskovalci, kot sem jaz, delajo pozno v noč.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Kerry Rippy. Preberite izvirni članek tukaj.