Hvad er den avancerede Photon Source? Hvor ultra-lyse røntgenstråler er lavet

Det er kl. 4, og jeg har været ope omkring 20 timer lige. En høj alarm er blaring, ledsaget af rød strobe lys blinker. En streng stemme annoncerer, "Søg station B. Afslut straks." Det føles som en nødsituation, men det er det ikke. Faktisk er alarmen allerede gået 60 eller 70 gange i dag. Det er en advarsel, så alle i nærheden kan vide, at jeg er ved at sprænge en højstyret røntgenstråle i et lille rum fyldt med elektronisk udstyr og plumer af fordampende flydende nitrogen.

I midten af ​​dette rum, der kaldes station B, har jeg lagt en krystal, der ikke er tykkere end et menneskehår på spidsen af ​​en lille glasfiber. Jeg har lavet snesevis af disse krystaller, og jeg forsøger at analysere dem alle.

Disse krystaller er lavet af organiske halvledende materialer, der bruges til at lave computerchips, LED-lys, smartphone skærme og solpaneler. Jeg vil gerne finde ud af, hvor hvert atom inde i krystallerne er placeret, hvor tætte de er, og hvordan de interagerer med hinanden. Disse oplysninger hjælper mig med at forudsige, hvor godt elektricitet vil strømme gennem dem.

For at se disse atomer og bestemme deres struktur har jeg brug for hjælp af en synkrotron, som er et massivt videnskabeligt instrument, der indeholder en kilometerlængde elektroner, der zoomer rundt i nærheden af ​​lysets hastighed. Jeg har også brug for et mikroskop, et gyroskop, flydende kvælstof, lidt held, en begavet kollega og en tricycle.

At få krystallen på plads

Det første trin i dette forsøg indebærer at placere super-små krystaller på glasfiberens spids. Jeg bruger en nål til at skrabe en bunke af dem sammen på en glasskinne og læg dem under et mikroskop. Krystallerne er smukke - farverige og facetterede som små ædelstene. Jeg finder mig ofte forsynet og stirrer med søvnberøvede øjne i mikroskopet og fokuserer mit blik på, før jeg forsigtigt samler en på glasfiberens spids.

Når jeg har fået krystallen fastgjort til fiberen, begynder jeg den ofte frustrerende opgave at centrere krystallen på spidsen af ​​et gyroskop inde i station B. Denne enhed vil dreje krystallet rundt, langsomt og kontinuerligt, så jeg får X- ray billeder af det fra alle sider.

Når den spinder, bruges flydende nitrogen damp til at afkøle det: Selv ved stuetemperatur vibrerer atomer frem og tilbage, hvilket gør det svært at få klare billeder af dem. Køling af krystallet til minus 196 grader Celsius, temperaturen af ​​flydende kvælstof, gør atomerne stopper med at flytte så meget.

Røntgenfotografi

Når jeg har krystal centreret og afkølet, lukker jeg af station B, og fra en computerens kontrolhub udenfor det blæser prøven med røntgenstråler. Det resulterende billede, kaldet et diffraktionsmønster, vises som lyse pletter på en orange baggrund.

Det jeg laver er ikke meget anderledes end at tage billeder med et kamera og en flash. Jeg er ved at sende lysstråler på en genstand og optage, hvordan lyset hopper ud af det. Men jeg kan ikke bruge synligt lys til at fotografere atomer - de er for små, og lysets bølgelængder i den synlige del af spektret er for store. Røntgenstråler har kortere bølgelængder, så de vil diffraktere eller afvise atomer.

I modsætning til et kamera kan diffrakterede røntgenstråler imidlertid ikke fokuseres med en simpel linse. I stedet for et fotografisk billede er de data, jeg indsamler, et ufokuseret mønster af hvor røntgenstrålerne gik, efter at de sprang af atomerne i min krystal. Et komplet sæt data om en krystal består af disse billeder taget fra alle vinkler rundt om krystalet, da gyroskopet drejer det.

Avanceret matematik

Min kollega, Nicholas DeWeerd, sidder i nærheden og analyserer datasæt, jeg allerede har samlet.Han har formået at ignorere de blarende alarmer og blinkende lys i timevis, stirrer på diffraktionsbilleder på skærmen for i virkeligheden at gøre røntgenbillederne fra alle sider af krystallen til et billede af atomerne inde i selve krystallen.

I år tidligere kunne denne proces have taget år med omhyggelige beregninger udført med hånden, men nu bruger han computermodellering til at sætte alle stykker sammen. Han er vores forskningsgruppes uofficielle ekspert i denne del af puslespillet, og han elsker det. "Det er som jul!" Jeg hører ham mumler, da han flipper gennem glimrende billeder af diffraktionsmønstre.

Jeg smiler på entusiasmen, han har formået at opretholde så sent på natten, da jeg fyrer synkronen for at få mine billeder af krystallen til at ligge i station B. Jeg holder pusten, da diffraktionsmønstre fra de første få vinkler dukker op på skærmen. Ikke alle krystaller diffrakterer, selvom jeg har sat alt helt op. Ofte skyldes det, at hver krystal består af mange endnu mindre krystaller, der sidder fast sammen, eller krystaller indeholdende for mange urenheder til dannelse af et gentagende krystallinsk mønster, som vi matematisk kan løse.

Hvis denne ikke leverer klare billeder, skal jeg starte over og oprette en anden. Heldigvis, i dette tilfælde, de første få billeder, der pop op viser lyse, klare diffraktionspunkter. Jeg smiler og læner mig for at samle resten af ​​datasættet. Nu som gyroskopet hvirvler og røntgenstrålen blæser prøven, har jeg et par minutter at slappe af.

Jeg ville drikke noget kaffe for at være opmærksom, men mine hænder ryster allerede fra overbelastning af koffein. I stedet kalder jeg til Nick: "Jeg tager et skød." Jeg går over til en gruppe af trehjulede cykler, der sidder i nærheden. Normalt brugt til at komme rundt om den store bygning, der indeholder synkrotronen, finder jeg dem lige så nyttige til et desperat forsøg på at vågne op med motion.

Mens jeg kører tænker jeg på krystallen monteret på gyroskopet. Jeg har brugt måneder til at syntetisere det, og snart har jeg et billede af det. Med billedet forstår jeg, om de ændringer, jeg har lavet til det, hvilket gør det lidt anderledes end andre materialer, jeg har lavet tidligere, har forbedret det overhovedet. Hvis jeg ser tegn på bedre pakning eller øgede intermolekylære interaktioner, kan det betyde, at molekylet er en god kandidat til testning i elektroniske enheder.

Udmattet, men glad fordi jeg samler nyttige data, trager jeg langsomt rundt om sløjfen og bemærker, at synkrotronen er i høj efterspørgsel. Når strålen løber, bruges den 24/7, hvorfor jeg arbejder igennem natten. Jeg var heldig at få en time slot overhovedet. På andre stationer arbejder andre forskere som mig for sent på natten.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Kerry Rippy. Læs den oprindelige artikel her.