מהו מקור פוטון מתקדם? איך Ultra- בהירים X- ריי קורות עשויים

השעה ארבע לפנות בוקר, ועליתי כבר 20 שעות ברציפות. אזעקה רם הוא מבהיק, מלווה אורות אדום מהבהב. קול חמור מודיע: "תחנה בתחנה ב'צא מיד." זה מרגיש כמו מצב חירום, אבל זה לא. למעשה, אזעקה כבר נעלם 60 או 70 פעמים היום. זוהי אזהרה, המאפשרת לכל אחד בסביבה לדעת שאני עומד לפוצץ קרן רנטגן בעלת עוצמה גבוהה לחדר קטן מלא בציוד אלקטרוני ונוצות של חנקן נוזלי מאדים.

במרכז החדר הזה, הנקרא תחנה ב', הנחתי גביש לא עבה יותר משיער אדם על סיבי זכוכית זעירים. הכנתי עשרות גבישים אלה, ואני מנסה לנתח את כולם.

גבישים אלה עשויים מחומרים מוליכים למחצה אורגניים, המשמשים לייצור שבבי מחשב, נורות LED, מסכי סמארטפון ופאנלים סולאריים. אני רוצה לברר בדיוק איפה כל אטום בתוך הגבישים נמצא, איך צפוף צפוף הם, וכיצד הם אינטראקציה אחד עם השני. מידע זה יעזור לי לחזות כמה חשמל יזרמו דרכם.

כדי לראות את האטומים הללו ולקבוע את המבנה שלהם, אני צריך את עזרתו של synchrotron, שהוא מכשיר מדעי מסיבי המכיל קילומטר ארוך לולאה של אלקטרונים מתקרב סביב ליד מהירות האור. אני צריך גם מיקרוסקופ, גירוסקופ, חנקן נוזלי, קצת מזל, עמית מחונן ותלת-אופן.

קבלת קריסטל במקום

הצעד הראשון של הניסוי הזה כרוך הצבת גבישים סופר זעירים על קצה סיבי הזכוכית. אני משתמש במחט כדי לגרד אותם יחד על גבי שקופית זכוכית ולשים אותם תחת מיקרוסקופ. הגבישים יפים - צבעוניים ופנים כמו אבני חן קטנות. לעתים קרובות אני מוצא את עצמי מרותקת, בוהה בעיניים שקועות בשינה לתוך המיקרוסקופ, וממקדת את מבטי שוב לפני שדוחפת בקדחתנות אל קצה של סיבי זכוכית.

ברגע שאני מקבל את הגביש מחובר הסיבים, אני מתחיל את המשימה מתסכל לעתים קרובות של מרכז הגביש על קצה של gyroscope בתוך תחנת B. המכשיר הזה יהיה לסובב את גביש מסביב, לאט ומתמשך, ומאפשר לי לקבל X- תמונות של אותו מכל הצדדים.

כפי שהוא מסתובב, אדי חנקן נוזלי משמש כדי לקרר אותו: אפילו בטמפרטורת החדר, אטומים רוטט הלוך וחזור, מה שהופך אותו קשה לקבל תמונות ברורות של אותם. קירור הקריסטל עד מינוס 196 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה של חנקן נוזלי, גורם האטומים להפסיק לנוע כל כך הרבה.

צילום רנטגן

ברגע שיש לי את הגביש במרכז ומקרר, אני סוגר את תחנת B, ומרכז שליטה במחשב מחוץ לזה, הפיצוץ המדגם עם צילומי רנטגן. התמונה המתקבלת, הנקראת תבנית עקיפה, מוצגת כתחומים בהירים על רקע כתום.

מה שאני עושה הוא לא שונה מאוד מ לצלם עם מצלמה פלאש. אני עומד לשלוח קרני אור על אובייקט ולהקליט איך האור מקפיץ אותו. אבל אני לא יכול להשתמש באור הנראה לצלם אטומים - הם קטנים מדי, ואת אורכי הגל של האור בחלק הנראה של הספקטרום גדולים מדי. צילומי רנטגן יש אורך גל קצר יותר, כך שהם יהיו diffract, או להקפיץ אטומים.

עם זאת, שלא כמו עם מצלמה, צילומי רנטגן diffracted לא יכול להיות ממוקד עם עדשה פשוטה. במקום תמונה דמויית צילום, הנתונים שאני אוספת הם דפוס לא ממוקד שבו צילמו צילומי הרנטגן אחרי שהם ניתרו מהאטומים שבגביש שלי. סט שלם של נתונים על גביש אחד מורכב מתמונות אלה שצולמו מכל זווית סביב הגביש כמו הג'ירוסקופ מסובב אותו.

מתמטיקה מתקדמת

חברי, ניקולס דווירד, יושב בקרבת מקום, מנתח ערכות נתונים שכבר אספתי.הוא הצליח להתעלם מן האזעקות הלוהטות והאורות המהבהבים במשך שעות, בוהה בתצלומים עקיפים על המסך כדי להפוך את תצלומי הרנטגן מכל עברי הגביש לתמונה של האטומים בתוך הגביש עצמו.

בשנים עברו, תהליך זה יכול היה לקחת שנים של חישובים זהירים שנעשו ביד, אבל עכשיו הוא משתמש במודל המחשב לשים את כל החלקים יחד. הוא המומחה הבלתי רשמי של קבוצת המחקר שלנו בחלק הזה של הפאזל, והוא אוהב את זה. "זה כמו חג המולד! "אני שומעת אותו ממלמל, כשהוא מדפדף בתמונות נוצצות של דפוסי עקיפה.

אני מחייכת אל ההתלהבות שהצליח לשמור על עצמה עד שעה מאוחרת בלילה, כשאני מרימה את הסינכוטרון כדי לקבל את תמונות הגביש שלי בתחנה ב'. אני עוצרת את נשימתי כשדפוסי עקיפה מהזוויות הראשונות מופיעות על המסך. לא כל הגבישים מפרידים, גם אם אני מגדיר הכול בצורה מושלמת. לעתים קרובות זה בגלל כל גביש מורכב של הרבה גבישים קטנים אפילו תקועים יחד, או גבישים המכילים זיהומים רבים מדי כדי ליצור דפוס גבישי חוזר שאנחנו יכולים לפתור מתמטית.

אם זה לא מספק תמונות ברורות, אני אצטרך להתחיל מחדש ולהקים עוד. למרבה המזל, במקרה זה, את התמונות הראשונות שצצים להראות בהיר, עקבות כתמים ברורים. אני מחייכת ומתיישבת לאחור כדי לאסוף את שאר הנתונים. עכשיו, כשמסתובבים הג'ירוסקופים והקרן הרנטגן את המדגם, יש לי כמה דקות להירגע.

הייתי שותה קפה כדי להישאר ערני, אבל הידיים שלי כבר רועדות מעומס הקפאין. במקום זאת, אני מתקשר אל ניק: "אני הולך לקחת בחיקה." אני ניגש אל קבוצת תלת-אופניים שישבה בקרבת מקום. בדרך כלל משמש רק כדי לעקוף את הבניין הגדול המכיל את synchrotron, אני מוצא אותם מועילים באותה מידה עבור ניסיון נואש להתעורר עם תרגיל כלשהו.

כשאני רוכב, אני חושבת על הגביש שהוטבע על הג'ירוסקופ. ביליתי חודשים מסנתזים אותו, ובקרוב תהיה לי תמונה של זה. עם התמונה, אני מקבל הבנה אם השינויים שאני עשיתי את זה, מה שהופך אותו שונה במקצת מחומרים אחרים שעשיתי בעבר, שיפרו את זה בכלל. אם אני רואה ראיות לאריזה טובה יותר או אינטראקציות intermolecular מוגברת, זה יכול אומר המולקולה היא מועמדת טובה לבדיקה במכשירים אלקטרוניים.

מותש, אבל שמח כי אני אוסף נתונים שימושיים, אני לאט דוושת סביב הלולאה, וציין כי synchrotron הוא ביקוש גבוה. כאשר beamline פועל, הוא משמש 24/7, ולכן אני עובד במשך הלילה. היה לי מזל לקבל בכלל משבצת זמן. בתחנות אחרות, חוקרים אחרים כמוני עובדים עד מאוחר בלילה.

מאמר זה פורסם במקור על השיחה על ידי קרי ריפי. קרא את המאמר המקורי כאן.