Wat is de geavanceerde fotonenbron? Hoe ultraheldere röntgenstralen worden gemaakt

Het is vier uur 's ochtends en ik heb ongeveer 20 uur achter elkaar gezeten. Er klinkt een luid alarm en er gaan rode flitslichten knipperen. Een strenge stem kondigt aan: "Station B opzoeken. Onmiddellijk verlaten." Het voelt als een noodgeval, maar dat is het niet. Het alarm is vandaag al 60 of 70 keer afgegaan. Het is een waarschuwing, iedereen in de buurt laten weten dat ik op het punt staat een krachtige röntgenstraal in een kleine kamer vol elektronische apparatuur en pluimen van verdampende vloeibare stikstof te blazen.

In het midden van deze kamer, die station B wordt genoemd, heb ik een kristal geplaatst dat niet dikker is dan een mensenhaar op het puntje van een kleine glasvezel. Ik heb tientallen van deze kristallen gemaakt en probeer ze allemaal te analyseren.

Deze kristallen zijn gemaakt van organische halfgeleidende materialen, die worden gebruikt voor het maken van computerchips, led-verlichting, smartphoneschermen en zonnepanelen. Ik wil precies weten waar elk atoom in de kristallen zich bevindt, hoe dicht ze vol zitten en hoe ze met elkaar omgaan. Deze informatie zal me helpen voorspellen hoe goed elektriciteit er doorheen stroomt.

Om deze atomen te zien en hun structuur te bepalen, heb ik de hulp nodig van een synchrotron, een enorm wetenschappelijk instrument met een kilometerlange elektronenlus die rond zoemt naar de snelheid van het licht. Ik heb ook een microscoop, een gyroscoop, vloeibare stikstof, een beetje geluk, een begaafde collega en een driewieler nodig.

Het kristal op zijn plek krijgen

De eerste stap van dit experiment bestaat uit het plaatsen van de superkleine kristallen op de punt van de glasvezel. Ik gebruik een naald om een ​​stapel van hen samen op een glasplaatje te schrapen en ze onder een microscoop te plaatsen. De kristallen zijn mooi - kleurrijk en gefacetteerd als kleine edelstenen. Ik vind mezelf vaak aan de grond genageld, starend met slaaparme ogen in de microscoop, en mijn blik opnieuw gericht voordat ik er met moeite een op het puntje van een glasvezel coax.

Zodra ik het kristal aan de vezel heb bevestigd, begin ik aan de vaak frustrerende taak om het kristal op het puntje van een gyroscoop in station B te centreren. Dit apparaat zal het kristal ronddraaien, langzaam en continu, waardoor ik X kan krijgen. ray beelden van alle kanten.

Terwijl het ronddraait, wordt vloeibare stikstofdamp gebruikt om het af te koelen: zelfs bij kamertemperatuur trillen atomen heen en weer, waardoor het moeilijk wordt om er heldere beelden van te krijgen. Door het kristal te koelen tot minus 196 graden Celsius, de temperatuur van vloeibare stikstof, stoppen de atomen zo veel met bewegen.

X-ray fotografie

Zodra ik het kristal gecentreerd en afgekoeld heb, sluit ik station B af en blaas ik het monster met röntgenstralen af ​​van een computercontrolehub daarbuiten. Het resulterende beeld, een diffractiepatroon genoemd, wordt weergegeven als lichtpuntjes op een oranje achtergrond.

Wat ik aan het doen ben, verschilt niet heel erg van het maken van foto's met een camera en een flitser. Ik sta op het punt om lichtstralen naar een voorwerp te sturen en te registreren hoe het licht ervan weerkaatst. Maar ik kan zichtbaar licht niet gebruiken om atomen te fotograferen - ze zijn te klein en de golflengten van licht in het zichtbare deel van het spectrum zijn te groot. Röntgenstralen hebben kortere golflengten, dus ze zullen diffracteren of tegen atomen botsen.

In tegenstelling tot een camera kunnen gebogen röntgenfoto's echter niet worden scherpgesteld met een eenvoudige lens. In plaats van een foto-achtig beeld, zijn de gegevens die ik verzamel een ongericht patroon van waar de X-stralen naartoe gingen nadat ze de atomen in mijn kristal hadden teruggekaatst. Een volledige set gegevens over één kristal bestaat uit deze beelden genomen vanuit elke hoek rondom het kristal terwijl de gyroscoop het ronddraait.

Geavanceerde wiskunde

Mijn collega, Nicholas DeWeerd, zit in de buurt en analyseert datasets die ik al heb verzameld.Hij is erin geslaagd om de schetterende alarmen en flitsende lichten urenlang te negeren, starend naar diffractiebeelden op zijn scherm om in feite de röntgenbeelden van alle zijden van het kristal te veranderen in een beeld van de atomen in het kristal zelf.

In de afgelopen jaren heeft dit proces misschien jaren van zorgvuldige berekeningen met de hand gedaan, maar nu gebruikt hij computermodellering om alle stukjes bij elkaar te voegen. Hij is de niet-officiële expert van onze onderzoeksgroep in dit deel van de puzzel, en hij vindt het geweldig. "Het is net als Kerstmis!" Ik hoor hem mompelen, terwijl hij door fonkelende beelden van diffractiepatronen flipt.

Ik glimlach op het enthousiasme dat hij zo laat in de nacht heeft weten te behouden, terwijl ik de synchotron opstart om mijn foto's van het kristal in station B te krijgen. Ik houd mijn adem in terwijl diffractiepatronen uit de eerste paar hoeken op het scherm verschijnen.. Niet alle kristallen breken, zelfs als ik alles perfect heb ingesteld. Vaak komt dat omdat elk kristal bestaat uit heel veel nog kleinere kristallen die aan elkaar kleven, of kristallen die te veel onzuiverheden bevatten om een ​​zich herhalend kristallijn patroon te vormen dat we wiskundig kunnen oplossen.

Als deze geen duidelijke afbeeldingen oplevert, moet ik opnieuw beginnen en een andere instellen. Gelukkig zien in dit geval de eerste paar afbeeldingen die verschijnen, heldere, duidelijke diffractiespots. Ik glimlach en leun achterover om de rest van de dataset te verzamelen. Terwijl de gyroscoop draait en de röntgenstraal het monster laat ontploffen, heb ik een paar minuten om te ontspannen.

Ik zou wat koffie drinken om alert te blijven, maar mijn handen trillen al van de overbelasting van cafeïne. In plaats daarvan bel ik naar Nick: "Ik ga een ronde rijden." Ik loop naar een groep driewielers in de buurt. Normaal gesproken gebruikt ik om het grote gebouw met de synchrotron te omzeilen, ik vind ze even nuttig voor een wanhopige poging om wakker te worden met wat oefening.

Terwijl ik rijd, denk ik aan het kristal dat op de gyroscoop is gemonteerd. Ik heb maanden gespendeerd het te synthetiseren, en binnenkort zal ik er een foto van hebben. Met de foto zal ik begrijpen of de aanpassingen die ik erin heb aangebracht, die het iets anders maken dan andere materialen die ik in het verleden heb gemaakt, het helemaal hebben verbeterd. Als ik bewijs zie voor een betere verpakking of verhoogde intermoleculaire interacties, kan dit betekenen dat het molecuul een goede kandidaat is voor testen in elektronische apparaten.

Uitgeput, maar gelukkig omdat ik nuttige gegevens verzamel, peddel ik langzaam rond in de lus en merk op dat de synchrotron veel gevraagd is. Wanneer de bundellijn loopt, wordt deze 24/7 gebruikt, daarom werk ik de nacht door. Ik had het geluk om een ​​tijd slot te krijgen. Op andere stations werken andere onderzoekers zoals ik tot laat in de nacht.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Kerry Rippy. Lees hier het originele artikel.