Was ist die erweiterte Photonenquelle? Wie ultrahelle Röntgenstrahlen gemacht werden

Es ist 4 Uhr morgens, und ich bin seit ungefähr 20 Stunden in Betrieb. Ein lauter Alarm ertönt und rote Blinkleuchten blinken. Eine strenge Stimme meldet: "Suche nach Station B. Sofort verlassen." Es fühlt sich an wie ein Notfall, ist es aber nicht. Tatsächlich ist der Alarm heute bereits 60 oder 70 Mal abgegangen. Es ist eine Warnung, die jeden in der Nähe davon in Kenntnis setzt, dass ich kurz davor bin, einen Röntgenstrahl mit hoher Leistung in einen kleinen Raum voller elektronischer Geräte und Nebelschwaden aus flüssigem Stickstoff zu strahlen.

In der Mitte dieses Raums, Station B genannt, habe ich einen Kristall, der nicht dicker als ein menschliches Haar ist, auf die Spitze einer winzigen Glasfaser gelegt. Ich habe Dutzende dieser Kristalle vorbereitet und versuche alle zu analysieren.

Diese Kristalle bestehen aus organischen Halbleitermaterialien, aus denen Computerchips, LED-Leuchten, Smartphonebildschirme und Sonnenkollektoren hergestellt werden. Ich möchte herausfinden, wo sich jedes Atom innerhalb der Kristalle genau befindet, wie dicht sie sind und wie sie miteinander interagieren. Diese Informationen helfen mir vorherzusagen, wie gut Elektrizität durch sie fließt.

Um diese Atome zu sehen und ihre Struktur zu bestimmen, brauche ich die Hilfe eines Synchrotrons, eines massiven wissenschaftlichen Instruments, das eine kilometerlange Schleife von Elektronen enthält, die nahe der Lichtgeschwindigkeit herumzoomen. Ich brauche auch ein Mikroskop, einen Kreisel, flüssigen Stickstoff, etwas Glück, einen begabten Kollegen und ein Dreirad.

Den Kristall in Position bringen

Der erste Schritt dieses Experiments besteht darin, die super kleinen Kristalle auf die Spitze der Glasfaser zu setzen. Ich verwende eine Nadel, um einen Haufen zusammen auf einen Objektträger zu kratzen und unter ein Mikroskop zu legen. Die Kristalle sind wunderschön - bunt und facettiert wie kleine Edelsteine. Ich sehe mich oft verwirrt, starrte mit schlaflosen Augen in das Mikroskop und fokussiere meinen Blick, bevor ich ihn mühsam auf die Spitze einer Glasfaser gebe.

Sobald ich den Kristall an der Faser befestigt habe, beginne ich mit der oftmals frustrierenden Aufgabe, den Kristall auf der Spitze eines Kreisels in Station B zu zentrieren. Dieses Gerät dreht den Kristall langsam und kontinuierlich, so dass ich X- Strahlenbilder davon von allen Seiten.

Während es sich dreht, wird flüssiger Stickstoffdampf verwendet, um ihn abzukühlen: Selbst bei Raumtemperatur schwingen Atome hin und her, wodurch es schwierig wird, klare Bilder von ihnen zu erhalten. Das Abkühlen des Kristalls auf minus 196 Grad Celsius, die Temperatur von flüssigem Stickstoff, bringt die Atome dazu, sich nicht mehr so ​​stark zu bewegen.

Röntgenfotografie

Sobald ich den Kristall zentriert und abgekühlt habe, schließe ich Station B ab und strahle die Probe von einem Computersteuerungsknoten außerhalb davon mit Röntgenstrahlen ab. Das resultierende Bild, das als Beugungsmuster bezeichnet wird, wird als helle Punkte auf einem orangefarbenen Hintergrund angezeigt.

Was ich mache, unterscheidet sich nicht sehr vom Fotografieren mit einer Kamera und einem Blitz. Ich bin dabei, Lichtstrahlen auf ein Objekt zu senden und aufzuzeichnen, wie das Licht von ihm abprallt. Mit sichtbarem Licht kann ich jedoch keine Atome fotografieren - sie sind zu klein und die Wellenlängen des Lichts im sichtbaren Teil des Spektrums sind zu groß. Röntgenstrahlen haben kürzere Wellenlängen, so dass sie Atome ablenken oder abprallen lassen.

Im Gegensatz zu einer Kamera können gebeugte Röntgenstrahlen jedoch nicht mit einem einfachen Objektiv fokussiert werden. Anstelle eines fotografischen Bildes sind die Daten, die ich sammle, ein unfokussiertes Muster, wohin die Röntgenstrahlen gingen, nachdem sie die Atome in meinem Kristall abprallten. Ein vollständiger Datensatz von einem Kristall besteht aus diesen Bildern, die aus allen Winkeln des Kristalls aufgenommen werden, wenn der Kreisel ihn dreht.

Fortgeschrittene Mathematik

Mein Kollege Nicholas DeWeerd sitzt in der Nähe und analysiert Datensätze, die ich bereits gesammelt habe.Er hat es geschafft, die krachenden Alarme und blinkenden Lichter stundenlang zu ignorieren und die Beugungsbilder auf seinem Bildschirm zu betrachten, um die Röntgenbilder von allen Seiten des Kristalls in ein Bild der Atome im Kristall selbst zu verwandeln.

In den vergangenen Jahren hat dieser Prozess möglicherweise jahrelang sorgfältigen Berechnungen von Hand gedauert, aber jetzt verwendet er Computermodellierung, um alle Teile zusammenzusetzen. Er ist der inoffizielle Experte unserer Forschungsgruppe in diesem Teil des Puzzles, und er liebt es. "Es ist wie Weihnachten!", Höre ich ihn murmeln, während er durch blinkende Bilder von Beugungsmustern blättert.

Ich lächle über den Enthusiasmus, den er bis spät in die Nacht aufrechterhalten konnte, als ich das Synchotron anfeuere, um meine Bilder des Kristalls in Station B zu erhalten. Ich halte den Atem an, als Beugungsmuster aus den ersten Winkeln auf dem Bildschirm erscheinen. Nicht alle Kristalle werden abgelenkt, auch wenn ich alles perfekt eingestellt habe. Dies liegt oft daran, dass jeder Kristall aus vielen noch kleineren, zusammengeklebten Kristallen besteht oder aus Kristallen, die zu viele Verunreinigungen enthalten, um ein sich wiederholendes kristallines Muster zu bilden, das wir mathematisch lösen können.

Wenn dieses keine klaren Bilder liefert, muss ich von vorne anfangen und ein anderes einrichten. Glücklicherweise zeigen in diesem Fall die ersten Bilder, die auftauchen, helle, klare Beugungspunkte. Ich lächle und lehne mich zurück, um den Rest des Datensatzes zu sammeln. Jetzt, da der Kreisel wirbelt und der Röntgenstrahl die Probe durchbrennt, habe ich ein paar Minuten Zeit, um mich zu entspannen.

Ich würde etwas Kaffee trinken, um wach zu bleiben, aber meine Hände zittern bereits vor Koffeinüberladung. Stattdessen rufe ich zu Nick: „Ich mache eine Runde.“ Ich gehe zu einer Gruppe von Dreirädern, die in der Nähe sitzen. Normalerweise nur benutzt, um sich in dem großen Gebäude mit dem Synchrotron fortzubewegen, finde ich sie ebenso hilfreich für einen verzweifelten Versuch, mit etwas Bewegung aufzuwachen.

Während ich fahre, denke ich an den Kristall, der am Gyroskop montiert ist. Ich habe Monate damit verbracht, es zu synthetisieren, und bald habe ich ein Bild davon. Mit dem Bild werde ich verstehen, ob die Modifikationen, die ich daran vorgenommen habe und die es etwas anders machen als andere Materialien, die ich in der Vergangenheit gemacht habe, es überhaupt verbessert haben. Wenn ich Anzeichen für eine bessere Packung oder erhöhte intermolekulare Wechselwirkungen sehe, könnte dies bedeuten, dass das Molekül ein guter Kandidat für Tests in elektronischen Geräten ist.

Erschöpft, aber glücklich, weil ich nützliche Daten sammle, gehe ich langsam um die Schleife herum und bemerke, dass das Synchrotron sehr gefragt ist. Wenn die Beamline läuft, wird sie rund um die Uhr verwendet. Deshalb arbeite ich durch die Nacht. Ich hatte das Glück, überhaupt ein Zeitfenster zu bekommen. An anderen Stationen arbeiten andere Forscher wie ich bis spät in die Nacht.

Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation von Kerry Rippy veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.