Kas yra pažangusis fotonų šaltinis? Kaip pagaminti itin ryškūs rentgeno spinduliai

Jis yra 4 val., O aš einu apie 20 valandų tiesiai. Girdimas garsus signalas, lydimas raudonos spalvos blyksnių lemputės. Garsinis balsas praneša: „Ieškoti stoties B. Išeikite iš karto.“ Ji jaučiasi kaip avarinė situacija, bet ne. Tiesą sakant, šiandien aliarmas jau praėjo 60 ar 70 kartų. Tai įspėjimas, leidžiantis visiems artimiesiems žinoti, kad ketinu sprogti didelės galios rentgeno spindulį į mažą kambarį, pilną elektroninių įrenginių ir garų skysto azoto garų.

Šio kambario centre, vadinamoje stotimi B, aš įdėjau mažesnį stiklo pluošto viršūnę kristalą nei storesnis nei žmogaus plaukai. Aš paruošiau dešimtys šių kristalų ir bandau juos analizuoti.

Šie kristalai yra pagaminti iš organinių puslaidininkių medžiagų, kurios naudojamos kompiuteriniams lustams, LED šviesoms, išmaniųjų telefonų ekranams ir saulės kolektoriams gaminti. Noriu tiksliai išsiaiškinti, kur yra kiekvienas kristalų atomas, kaip jie yra tankiai supakuoti ir kaip jie bendrauja tarpusavyje. Ši informacija padės man prognozuoti, kaip gerai teka elektros energija.

Norėdami pamatyti šiuos atomus ir nustatyti jų struktūrą, man reikia sinchrotrono, kuris yra masinis mokslinis instrumentas, turintis kilometrų ilgio elektronų kilpą, artinantį netoli šviesos greičio. Man taip pat reikalingas mikroskopas, giroskopas, skystas azotas, šiek tiek sėkmės, talentingas kolega ir triratis.

Kristalų buvimas vietoje

Pirmasis šio eksperimento etapas - supakuoti labai mažus kristalus ant stiklo pluošto galo. Aš naudoju adatą, kad juos sudaužiau kartu su stiklo stikliu ir padėkite juos mikroskopu. Kristalai yra gražūs - spalvingi ir briaunoti, kaip mažai brangakmenių. Dažnai atsidursiu, kai į mikroskopą žvelgiu į miego neturinčias akis, o žvilgsnis nukreipiamas prieš tai, kai nuodugniai sutraukite vieną ant stiklo pluošto galo.

Kai gausiu kristalą, prijungtą prie pluošto, pradėsiu dažnai nelinksma užduotis centruoti kristalą ant giroskopo galo B stotyje. Šis įrenginys sukasi kristalą aplink, lėtai ir nuolat, leisdamas man gauti X- jos vaizdus iš visų pusių.

Sukant, skystas azoto garas naudojamas aušinimui: net ir kambario temperatūroje atomai vibruoja pirmyn ir atgal, todėl sunku gauti aiškius vaizdus. Kristalų aušinimas iki minuso 196 laipsnių Celsijaus, skysto azoto temperatūra, atomai nustoja judėti tiek daug.

Rentgeno fotografija

Kai aš turiu centruotą ir aušinamą kristalą, uždarau stotį B, o iš kompiuterio valdymo centro, esančio už jo ribų, sprogdinkite mėginį rentgeno spinduliais. Gautas vaizdas, vadinamas difrakcijos modeliu, rodomas kaip ryškios dėmės oranžiniame fone.

Ką aš darau, nesiskiria nuo fotografavimo su fotoaparatu ir blykste. Aš ketinu siųsti šviesos spindulius į objektą ir užregistruoti, kaip šviesa atsimuša. Tačiau aš negaliu naudoti matomų šviesų atomų fotografavimui - jie yra per maži, o šviesos bangos ilgiai matomoje spektro dalyje yra per dideli. Rentgeno spinduliai turi trumpesnius bangų ilgius, todėl jie išsklaidys ar atsipalaiduos.

Tačiau, skirtingai nei fotoaparatas, difrakuoti rentgeno spinduliai negali būti sutelkti paprastu objektyvu. Vietoj fotografijos panašaus vaizdo, kurį renku, nesutampa, kur rentgeno spinduliai praėjo po to, kai jie atsimušė iš mano kristalų atomų. Visus duomenis apie vieną kristalą sudaro šie vaizdai, paimti iš kiekvieno kampo aplink kristalą, kai giroskopas jį sukasi.

Išplėstinė matematika

Mano kolega Nicholas DeWeerd sėdi šalia, analizuodamas jau surinktus duomenų rinkinius.Jis sugebėjo ignoruoti bauginančius aliarmus ir mirksinčias šviesas valandas, spinduliuodamas savo ekrane esančius difrakcijos vaizdus, ​​kad iš tikrųjų iš visų kristalų pusių atkurtų rentgeno vaizdus į pačių kristalų atomų vaizdą.

Praėjusiais metais šis procesas galėjo ilgus metus atlikti kruopščius skaičiavimus, bet dabar jis naudoja kompiuterinį modeliavimą, kad visi gabalai būtų sudėti. Jis yra mūsų tyrimo grupės neoficialus ekspertas šioje galvosūkio dalyje, ir jis jį myli. „Tai tarsi Kalėdos!“ Aš girdžiu, kaip jis suklupo, kai jis sulankstomas per mirgantys difrakcijos modelių vaizdai.

Aš šypsosi tuo entuziazmu, kurį jis sugebėjo išlaikyti taip vėlai naktį, kai užsidegiu sinchotroną, kad galėčiau išgirsti B stotyje esančių kristalų nuotraukas. Aš laikau savo kvėpavimą, nes ekrane pasirodo pirmieji keli kampai.. Ne visi kristalai difrakuojasi, net jei aš viską puikiai nustatiau. Dažnai tai yra todėl, kad kiekvienas kristalas susideda iš daugelio mažesnių kristalų, sudaužytų kartu, arba kristalai, kuriuose yra per daug priemaišų, kad susidarytų kartotinis kristalinis modelis, kurį galime matematiškai išspręsti.

Jei tai nesuteikia aiškių vaizdų, turėsiu pradėti ir pradėti kitą. Laimei, tokiu atveju pirmieji keli vaizdai rodo ryškius, aiškius difrakcijos taškus. Aš šypsosi ir sėdėjau, kad surinkčiau likusį duomenų rinkinį. Dabar, kai giroskopas sukasi ir rentgeno spinduliai spinduliuoja mėginį, turiu keletą minučių pailsėti.

Norėčiau išgerti kavos, kad likčiau budrus, bet mano rankos jau sukrėtė nuo kofeino perkrovos. Vietoj to, aš kreipiuosi į Nikas: „Aš paimsiu ratą.“ Aš einu per triračių ratų grupę, kuri sėdi šalia. Paprastai naudojamas tik norint patekti į didelį pastatą, kuriame yra sinchrotronas, manau, kad jie yra vienodai naudingi norint pabėgti pabusti su kai kuriais pratimais.

Kaip aš važiuoju, aš galvoju apie giroskopu sumontuotą kristalą. Aš praleidau mėnesius sintetinant, o netrukus turėsiu nuotrauką. Su nuotrauka gausiu supratimą, ar pakeitimai, kuriuos aš padariau, kurie šiek tiek skiriasi nuo kitų praeityje padarytų medžiagų, visai pagerėjo. Jei matau, kad yra geresnių pakuočių ar padidėjusios molekulinės sąveikos, tai gali reikšti, kad molekulė yra geras kandidatas testavimui elektroniniuose prietaisuose.

Išnaudotas, bet džiaugiuosi, nes aš renkuosi naudingų duomenų, lėtai pedalu aplink kilpą, pažymėdamas, kad sinchrotronas turi didelę paklausą. Kai veikia bėgių linija, ji naudojama visą parą, todėl dirbau per naktį. Man pasisekė gauti laiko tarpsnį. Kitose stotyse kiti mokslininkai, kaip ir aš, dirba vėlai į naktį.

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas Kerry Rippy pokalbyje. Skaitykite originalų straipsnį čia.