Qual è la fonte Photon avanzata? Come sono fatti i raggi X ultravioletti

Sono le 4 del mattino e sono in piedi da circa 20 ore di fila. Un forte allarme è a tutto volume, accompagnato da luci rosse lampeggianti. Una voce severa annuncia: "Alla ricerca della stazione B. Esci immediatamente." Sembra un'emergenza, ma non lo è. In effetti, l'allarme è già andato in onda 60 o 70 volte oggi. È un avvertimento, lasciando che tutti nelle vicinanze sappiano che sto per far saltare un fascio di raggi X ad alta potenza in una piccola stanza piena di apparecchiature elettroniche e pennacchi di azoto liquido vaporizzante.

Al centro di questa stanza, che si chiama stazione B, ho posizionato un cristallo non più spesso di un capello umano sulla punta di una minuscola fibra di vetro. Ho preparato dozzine di questi cristalli e sto tentando di analizzarli tutti.

Questi cristalli sono fatti di materiali organici semiconduttori, che sono usati per creare chip per computer, luci a LED, schermi per smartphone e pannelli solari. Voglio scoprire esattamente dove si trova ogni atomo all'interno dei cristalli, quanto sono densamente imballati e come interagiscono tra loro. Questa informazione mi aiuterà a prevedere quanto bene l'elettricità scorrerà attraverso di loro.

Per vedere questi atomi e determinare la loro struttura, ho bisogno dell'aiuto di un sincrotrone, che è un enorme strumento scientifico contenente un ciclo di elettroni lungo un chilometro che zuma intorno alla velocità della luce. Ho anche bisogno di un microscopio, un giroscopio, azoto liquido, un po 'di fortuna, un collega dotato e un triciclo.

Ottenere il cristallo sul posto

Il primo passo di questo esperimento consiste nel posizionare i cristalli super-minuscoli sulla punta della fibra di vetro. Io uso un ago per raschiare un mucchio di questi su un vetrino e li metto al microscopio. I cristalli sono bellissimi: colorati e sfaccettati come piccole gemme. Spesso mi ritrovo paralizzato, fissando gli occhi privi di sonno al microscopio, e rimettendo a fuoco il mio sguardo prima di fargli carezzare uno sulla punta di una fibra di vetro.

Una volta ottenuto il cristallo attaccato alla fibra, inizio il compito spesso frustrante di centrare il cristallo sulla punta di un giroscopio all'interno della stazione B. Questo dispositivo farà ruotare il cristallo, lentamente e continuamente, permettendomi di ottenere X- ray immagini di esso da tutti i lati.

Mentre gira, il vapore di azoto liquido viene utilizzato per raffreddarlo: anche a temperatura ambiente, gli atomi vibrano avanti e indietro, rendendo difficile ottenere immagini chiare di loro. Raffreddando il cristallo a meno 196 gradi Celsius, la temperatura dell'azoto liquido, fa sì che gli atomi smettano di muoversi così tanto.

Fotografia a raggi X

Una volta che il cristallo è centrato e raffreddato, chiudo la stazione B, e da un mozzo di controllo del computer al di fuori di esso, esplora il campione con i raggi X. L'immagine risultante, chiamata modello di diffrazione, viene visualizzata come punti luminosi su uno sfondo arancione.

Quello che sto facendo non è molto diverso dal fare fotografie con una fotocamera e un flash. Sto per inviare raggi di luce a un oggetto e registrare come la luce rimbalza su di esso. Ma non posso usare la luce visibile per fotografare gli atomi: sono troppo piccoli e le lunghezze d'onda della luce nella parte visibile dello spettro sono troppo grandi. I raggi X hanno lunghezze d'onda più corte, quindi si diffrangono o rimbalzano sugli atomi.

Tuttavia, a differenza di una fotocamera, i raggi X diffratti non possono essere focalizzati con una semplice lente. Invece di un'immagine simile a una fotografia, i dati che raccolgo sono un modello sfocato di dove sono andati i raggi X dopo essere rimbalzati dagli atomi nel mio cristallo. Un set completo di dati su un cristallo è costituito da queste immagini prese da ogni angolo intorno al cristallo mentre il giroscopio lo fa girare.

Matematica avanzata

Il mio collega, Nicholas DeWeerd, siede nelle vicinanze, analizzando i set di dati che ho già raccolto.È riuscito a ignorare gli allarmi e le luci lampeggianti per ore, fissando le immagini di diffrazione sul suo schermo per, in effetti, trasformare le immagini a raggi X da tutti i lati del cristallo in un'immagine degli atomi all'interno del cristallo stesso.

Negli anni passati, questo processo avrebbe potuto richiedere anni di calcoli accurati fatti a mano, ma ora usa la modellazione al computer per mettere insieme tutti i pezzi. È l'esperto non ufficiale del nostro gruppo di ricerca in questa parte del puzzle, e lo adora. "È come Natale!" Lo sento mormorare, mentre sfoglia le immagini scintillanti dei modelli di diffrazione.

Sorrido dell'entusiasmo che è riuscito a mantenere fino a tarda notte, mentre accendo il sincrotrone per ottenere le mie foto del cristallo appollaiato nella stazione B. Trattengo il respiro mentre i modelli di diffrazione dai primi angoli si aprono sullo schermo. Non tutti i cristalli diffrangono, anche se ho impostato tutto perfettamente. Spesso, perché ogni cristallo è composto da tanti cristalli ancora più piccoli attaccati insieme, o cristalli contenenti troppe impurità per formare un modello cristallino ripetuto che possiamo risolvere matematicamente.

Se questo non fornisce immagini chiare, dovrò ricominciare da capo e installarne un altro. Fortunatamente, in questo caso, le prime poche immagini che compaiono mostrano chiari punti di diffrazione chiari. Sorrido e mi siedo per raccogliere il resto del set di dati. Ora mentre il giroscopio vortica e il raggio dei raggi X esplode il campione, ho qualche minuto per rilassarmi.

Bevo un po 'di caffè per stare all'erta, ma le mie mani stanno già tremando per il sovraccarico di caffeina. Invece, chiamo Nick: "Farò un giro". Mi avvicino a un gruppo di tricicli seduti nelle vicinanze. Normalmente usato solo per aggirare il grande edificio contenente il sincrotrone, li trovo ugualmente utili per un disperato tentativo di svegliarsi con un po 'di esercizio.

Mentre guido, penso al cristallo montato sul giroscopio. Ho passato mesi a sintetizzarlo, e presto ne avrò una foto. Con l'immagine, comprenderò se le modifiche che ho apportato ad esso, che lo rendono leggermente diverso rispetto agli altri materiali che ho realizzato in passato, l'hanno migliorato del tutto. Se vedo prove di un migliore imballaggio o di maggiori interazioni intermolecolari, ciò potrebbe significare che la molecola è un buon candidato per i test su dispositivi elettronici.

Esausto, ma felice perché sto raccogliendo dati utili, pedalo lentamente intorno al circuito, notando che il sincrotrone è molto richiesto. Quando la beamline è in funzione, viene utilizzata 24 ore su 24, 7 giorni su 7, motivo per cui sto lavorando tutta la notte. Sono stato fortunato ad avere una fascia oraria. In altre stazioni, altri ricercatori come me stanno lavorando fino a tarda notte.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Kerry Rippy. Leggi l'articolo originale qui.