Què és la font de fotons avançada? Com es fabriquen els raigs X de ultra-brillants

Són les 4 de la matinada i he estat recte durant unes 20 hores. Una alarma forta s’aclareix, acompanyada de llums estroboscòpics vermells que parpellegen. Una veu severa anuncia: "Cerca de l'estació B. Surt immediatament". Se sent com una emergència, però no ho és. De fet, l’alarma ja s’ha disparat 60 o 70 vegades avui. És un avís, que permet que tots els veïns sàpiguen que estic a punt d'explotar un feix de raigs X d'alta potència en una petita habitació plena d'equips electrònics i plomalls de vaporització de nitrogen líquid.

Al centre d'aquesta sala, que s'anomena estació B, he col·locat un cristall no més gruixut que un pèl humà a la punta d'una diminuta fibra de vidre. He preparat desenes d’aquests cristalls i estic intentant analitzar-los tots.

Aquests cristalls estan fets de materials semiconductors orgànics, que s’utilitzen per fer xips d’ordinador, llums LED, pantalles per a telèfons intel·ligents i panells solars. Vull saber exactament on es troba cada àtom dins dels cristalls, quina densitat estan empaquetats i com interactuen entre ells. Aquesta informació m'ajudarà a predir el bon flux de l'electricitat.

Per veure aquests àtoms i determinar la seva estructura, necessito l'ajuda d'un sincrotró, que és un instrument científic massiu que conté un bucle d'electrons de quilòmetre de llarg que s'aproxima a la velocitat de la llum. També necessito un microscopi, un giroscopi, un nitrogen líquid, una mica de sort, un company superdotat i un tricicle.

Obtenció del cristall al seu lloc

El primer pas d’aquest experiment consisteix a col·locar els cristalls súper diminuts a la punta de la fibra de vidre. Utilitzo una agulla per rascar-los un munt en un tobogan de vidre i posar-los sota un microscopi. Els cristalls són bells: colorits i amb facetes, com les petites pedres precioses. Sovint em trobo embolcallat, mirant amb microscopi els ulls privats del son i reorientant la meva mirada abans de procurar-los minuciosament la punta de la fibra de vidre.

Un cop he aconseguit el cristall adjunt a la fibra, començo la tasca sovint frustrant de centrar el cristall a la punta d'un giroscopi dins de l'estació B. Aquest dispositiu girarà el cristall, lentament i contínuament, permetent-me obtenir X- imatges de raigs de tots els costats.

A mesura que gira, s'utilitza vapor de nitrogen líquid per refredar-lo: fins i tot a temperatura ambient, els àtoms vibren cap endavant i cap enrere, cosa que fa difícil obtenir-ne imatges clares. El refredament del cristall a menys de 196 graus centígrads, la temperatura del nitrogen líquid, fa que els àtoms deixin de moure's tant.

Fotografia de raigs X.

Quan tinc el vidre centrat i refredat, tanco l’estació B i, des d’un centre de control d’ordinador, s’estimula la mostra amb rajos X. La imatge resultant, anomenada patró de difracció, es mostra com a punts brillants en un fons taronja.

El que estic fent no és molt diferent de fer fotografies amb una càmera i un flash. Estic a punt d’enviar els raigs de llum a un objecte i enregistrar-los com la llum rebota. Però no puc utilitzar la llum visible per fotografiar els àtoms: són massa petits i les longituds d'ona de la llum a la part visible de l'espectre són massa grans. Els raigs X tenen longituds d'ona més curtes, de manera que difractaran o reboten els àtoms.

No obstant això, a diferència de la càmera, els raigs X difractats no es poden centrar amb una lent simple. En lloc d’una imatge semblant a la fotografia, les dades que recopio són un patró poc focalitzat d’on van anar els raigs X després que rebotessin dels àtoms del meu cristall. Un conjunt complet de dades sobre un cristall està format per aquestes imatges preses de cada angle al voltant del cristall quan el giroscopi el fa girar.

Matemàtiques avançades

El meu col·lega, Nicholas DeWeerd, se situa a prop, analitzant els conjunts de dades que ja he recopilat.Ha aconseguit ignorar les alarmes i les llums intermitents durant hores, mirant les imatges de la difracció de la pantalla per tal de convertir les imatges de raigs X de tots els costats del cristall en una imatge dels àtoms del propi cristall.

En els darrers anys, aquest procés va poder trigar anys en càlculs curosos fets a mà, però ara utilitza el modelatge per ordinador per unir totes les peces. És el nostre expert en experts del grup d'investigació en aquesta part del trencaclosques i ell l'estima. "És com el Nadal!" El sento murmurar, mentre es mou a través d'imatges brillants de patrons de difracció.

Somriure per l’entusiasme que ha aconseguit mantenir tan tard a la nit, ja que llança el sincrotró per obtenir les meves fotos del cristall posat a l’estació B. Em poso la respiració quan apareixen patrons de difracció dels primers angle.. No tots els cristalls difereixen, fins i tot si m'he posat tot bé. Sovint, això és així perquè cada cristall està format per molts cristalls encara més petits enganxats o cristalls que contenen massa impureses per formar un patró cristal·lí repetitiu que podem resoldre matemàticament.

Si aquest no ofereix imatges clares, hauré de tornar a començar i configurar un altre. Per sort, en aquest cas, les primeres imatges que apareixen mostren taques de difracció clares i lluminoses. Somriure i seure a recollir la resta de dades. Ara, a mesura que el giroscopi gira i el feix de rajos X explota la mostra, tinc uns minuts per relaxar-vos.

M'agradaria beure cafè per estar alerta, però les meves mans ja tremolen de la sobrecàrrega de cafeïna. En comptes d'això, truco a Nick: "Vaig a fer una volta". Vaig anar cap a un grup de tricicles asseguts a prop. Normalment s'utilitza només per desplaçar-se pel gran edifici que conté el sincrotró, i els resulten igualment útils per a un intent desesperat de despertar amb algun exercici.

Mentre miro, penso en el cristall muntat al giroscopi. He passat mesos sintetitzant-lo, i aviat tindré una foto. Amb la imatge, entendrem si les modificacions que he fet, que ho fan lleugerament diferents dels altres materials que he fet en el passat, ho han millorat. Si veig evidències d’un millor embalatge o augment d’interaccions intermoleculars, això podria significar que la molècula és un bon candidat per provar en dispositius electrònics.

Esgotat, però feliç, perquè jo recopio dades útils, lentament pedal·lo al voltant del bucle, observant que el sincrotró té una gran demanda. Quan la línia de feina s'està executant, s’utilitza les 24 hores del dia, els set dies de la setmana, de manera que estic treballant durant tota la nit. Vaig tenir la sort d'aconseguir una franja horària. A altres estacions, altres investigadors com jo treballen fins a la nit.

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation de Kerry Rippy. Llegiu l'article original aquí.