Що таке Advanced Photon Source? Як робляться ультра-яскраві промені рентгенівського випромінювання

Це 4 години ранку, і я пропрацював близько 20 годин. Горит бурхливий сигнал, який супроводжується блиманням червоних стробоскопів. Суворий голос повідомляє: "Пошукова станція B. Вийдіть негайно". Це відчувається як надзвичайна ситуація, але це не так. Насправді, сигналізація вже відпала 60 або 70 разів сьогодні. Це попередження, яке дозволяє всім, хто перебуває в околицях, знати, що я збираюся підірвати потужний рентгенівський промінь у невелику кімнату, повну електронного обладнання та струменів випаровування рідкого азоту.

У центрі цієї кімнати, яка називається станцією B, я накрив на кінчику крихітного скловолокна кристал не товщі людського волосся. Я підготував десятки цих кристалів і намагаюся проаналізувати всі ці кристали.

Ці кристали виготовляються з органічних напівпровідникових матеріалів, які використовуються для виготовлення комп'ютерних чіпів, світлодіодних ліхтарів, екранів смартфонів і сонячних панелей. Я хочу точно з'ясувати, де розташований кожен атом всередині кристалів, наскільки вони щільно упаковані і як вони взаємодіють один з одним. Ця інформація допоможе мені передбачити, наскільки добре буде проходити електроенергія через них.

Щоб побачити ці атоми і визначити їхню структуру, мені потрібна допомога синхротрона, який є масивним науковим приладом, що містить кілометрову петлю електронів, що наближаються до ближньої швидкості світла. Мені також потрібні мікроскоп, гіроскоп, рідкий азот, трохи удачі, обдарований колега і триколісний велосипед.

Отримання кристала на місці

Перший крок цього експерименту передбачає розміщення на кришці скловолокна надтонких кристалів. Я використовую голку для того, щоб зірвати купу їх разом на предметне скло і покласти під мікроскоп. Кристали красиві - барвисті і грановані, як маленькі дорогоцінні камені. Мені часто здається, що я перехоплююся, дивившись в окуповані очі в мікроскоп, і переорієнтувавши свій погляд, перш ніж старанно пригадуючи один на кінчику скловолокна.

Після того, як я отримав кристал, прикріплений до волокна, я починаю часто розчаровувати завдання центрування кристала на кінчику гіроскопа всередині станції B. Цей пристрій буде крутити кристал навколо, повільно і безперервно, дозволяючи отримати X- променів його з усіх боків.

Як він обертається, рідкий азотний пар використовується, щоб охолодити його: Навіть при кімнатній температурі, атоми вібрують вперед і назад, що ускладнює отримання чітких зображень з них. Охолодження кристала до мінус 196 градусів Цельсія, температура рідкого азоту, змушує атоми зупинятися так сильно.

Рентгенівська фотографія

Після того, як кристал центрований і охолоджений, я закриваю станцію B, а з концентратора комп'ютера поза ним, підриваю зразок рентгенівськими променями. Отримане зображення, зване дифракційним малюнком, відображається у вигляді яскравих плям на оранжевому фоні.

Те, що я роблю, не дуже відрізняється від фотографування за допомогою камери та спалаху. Я збираюся відправити світлові промені на об'єкт і записати, як світло відскакує від нього. Але я не можу використовувати видиме світло для фотографування атомів - вони занадто малі, а довжина хвиль світла у видимій частині спектру занадто велика. Рентгенівські промені мають більш короткі довжини хвиль, тому вони будуть дифрагувати або відскакувати від атомів.

Однак, на відміну від камери, дифракційні рентгенівські промені не можуть бути фокусовані простою лінзою. Замість зображення, схожого на фотографію, дані, які я збираю, є нефокусованою схемою того, звідки йшли рентгенівські промені після того, як вони відскочили від атомів у моєму кристалі. Повний набір даних про один кристал складається з цих зображень, взятих з кожного кута навколо кристала, коли гіроскоп обертає його.

Advanced Math

Мій колега, Микола ДеВерд, сидить поруч, аналізуючи набори даних, які я вже зібрав.Йому вдалося протягом декількох годин проігнорувати бурхливу сигналізацію і миготіння вогнів, дивлячись на дифракційні зображення на екрані, щоб, фактично, перетворити рентгенівські знімки з усіх сторін кристала на зображення атомів всередині самого кристала.

У минулі роки цей процес міг зайняти роки ретельних розрахунків, зроблених вручну, але тепер він використовує комп'ютерне моделювання, щоб об'єднати всі частини. Він є неофіційним експертом нашої дослідницької групи в цій частині головоломки, і він любить його. "Це як Різдво!" Я чую його бурмотіння, коли він перевертає мерехтливі зображення дифракційних візерунків.

Я посміхаюся на ентузіазм, який йому вдалося зберегти так пізно в ніч, коли я розпалюю синхроніт, щоб мої малюнки кристала, розташованого на станції Б. Я дихаю, як дифракційні картини з перших кількох кутів, що з'являються на екрані.. Не всі кристали дифракції, навіть якщо я все встановив ідеально. Часто це відбувається тому, що кожен кристал складається з безлічі навіть склеєних менших кристалів, або кристалів, що містять занадто багато домішок для формування повторюваного кристалічного малюнка, який ми можемо вирішити математично.

Якщо це не дає чітких зображень, мені доведеться почати все спочатку і налаштувати іншу. На щастя, у цьому випадку перші кілька зображень, які з'являються, показують яскраві, чіткі дифракційні плями. Я посміхаюся і сідаю назад, щоб зібрати решту набору даних. Тепер, коли гіроскоп крутиться і рентгенівський промінь вибухає зразок, у мене є кілька хвилин, щоб розслабитися.

Я б випив кави, щоб бути пильним, але мої руки вже тремтять від перевантаження кофеїном. Замість цього я заходжу до Ніка: "Я візьмуся на коліна". Я переходжу до групи триколісних велосипедів, що сидять поруч. Зазвичай використовується тільки для того, щоб обійти велику будівлю, що містить синхротрон, я вважаю, що вони однаково корисні для відчайдушної спроби прокинутися з деякими вправами.

Коли я катаюся, я думаю про кристал, встановлений на гіроскопі. Я провів місяці, синтезуючи його, і незабаром я зроблю його. Зі зображенням я зможу зрозуміти, чи зміни, які я зробив для нього, які роблять її трохи іншою, ніж інші матеріали, які я зробив у минулому, взагалі покращили. Якщо я бачу докази кращої упаковки або підвищеної міжмолекулярної взаємодії, це може означати, що молекула є хорошим кандидатом для тестування в електронних пристроях.

Вичерпані, але щасливі, тому що я збираю корисні дані, я повільно обертаю педаль навколо циклу, помітивши, що синхротрон користується великим попитом. Коли бічна лінія працює, вона використовується 24/7, тому я працюю протягом ночі. Мені пощастило взагалі отримати часовий інтервал. На інших станціях інші дослідники, як я, працюють до кінця ночі.

Ця стаття була спочатку опублікована на бесіді Керрі Ріппі. Читайте оригінальну статтю тут.