Apakah Sumber Lanjutan Photon? Bagaimana Rasuk X-Ray Ultra-Bright Dibuat

Ini pukul 4 pagi, dan saya sudah bangun selama kira-kira 20 jam. Penggera kuat menguning, disertai dengan lampu strob merah yang berkedip. Suara tegas mengumumkan, "Mencari stesen B. Keluar dengan segera." Rasanya seperti kecemasan, tetapi tidak. Sebenarnya, penggera telah hilang 60 atau 70 kali hari ini. Ia adalah satu amaran, membiarkan semua orang di sekitar mengetahui bahawa saya akan meletupkan sinar X-ray berkuasa tinggi ke dalam bilik kecil penuh dengan peralatan elektronik dan bulu-bulu nitrogen cair menguap.

Di tengah-tengah bilik ini, yang dipanggil stesen B, saya telah meletakkan kristal tidak lebih tebal daripada rambut manusia di hujung serat kaca kecil. Saya telah menyediakan berpuluh-puluh kristal ini, dan cuba menganalisis kesemua mereka.

Kristal ini diperbuat daripada bahan semikonduktor organik, yang digunakan untuk membuat cip komputer, lampu LED, skrin telefon pintar, dan panel solar. Saya ingin mengetahui dengan tepat di mana setiap atom di dalam kristal terletak, betapa padatnya padanya, dan bagaimana mereka berinteraksi antara satu sama lain. Maklumat ini akan membantu saya meramalkan bagaimana elektrik akan mengalir melalui mereka.

Untuk melihat atom-atom ini dan menentukan strukturnya, saya memerlukan bantuan synchrotron, yang merupakan instrumen saintifik besar-besaran yang mengandungi satu gelung elektron yang panjang-kilometer yang berkisar di dekat kelajuan cahaya. Saya juga memerlukan mikroskop, gyroscope, nitrogen cecair, sedikit nasib, rakan sekerja yang berbakat, dan roda tiga.

Mendapatkan Crystal di Tempat

Langkah pertama dalam percubaan ini melibatkan meletakkan kristal super-kecil di hujung serat kaca. Saya menggunakan jarum untuk mengikis timbunan mereka bersama-sama ke dalam slaid kaca dan meletakkannya di bawah mikroskop. Kristal-kristal cantik - berwarna dan berwujud seperti batu permata kecil. Saya sering mendapati diri saya berubah, menatap mata yang kurang tidur ke dalam mikroskop, dan memfokuskan semula pandangan saya sebelum bersusah payah membujuknya ke hujung gentian kaca.

Sebaik sahaja saya mendapat kristal yang dilekatkan pada serat, saya memulakan tugas yang sering mengecewakan memusatkan kristal pada hujung giroskop di stesen B. Peranti ini akan berputar di sekitar kristal, perlahan-lahan dan berterusan, membolehkan saya mendapatkan X- imej rayanya dari semua pihak.

Seperti yang berputar, wap nitrogen cecair digunakan untuk menyejukkannya: Walaupun pada suhu bilik, atom bergetar ke belakang dan sebagainya, sehingga sukar untuk mendapatkan gambaran yang jelas dari mereka. Penyejukan kristal hingga minus 196 darjah Celsius, suhu nitrogen cair, membuatkan atom berhenti bergerak begitu banyak.

Fotografi sinar-x

Sebaik sahaja saya mempunyai kristal berpusat dan menyejukkan, saya menutup stesen B, dan dari hab kawalan komputer di luarnya, letupan sampel dengan X-ray. Imej yang dihasilkan, dipanggil corak pemeluwapan, dipaparkan sebagai bintik-bintik terang pada latar belakang oren.

Apa yang saya lakukan tidak begitu berbeza dengan mengambil gambar dengan kamera dan kilat. Saya akan menghantar sinaran cahaya ke objek dan merekodkan bagaimana cahaya itu melepaskannya. Tetapi saya tidak boleh menggunakan cahaya yang kelihatan untuk memotret atom - mereka terlalu kecil, dan panjang gelombang cahaya di bahagian spektrum yang kelihatan terlalu besar. Sinar-X mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek, jadi mereka akan meresap, atau melepaskan atom.

Walau bagaimanapun, tidak seperti kamera, X-ray difrika tidak dapat difokuskan dengan kanta mudah. Daripada gambar seperti gambar, data yang saya kumpulkan adalah corak yang tidak tertumpu di mana sinar-X berlaku selepas mereka melepaskan atom-atom di dalam kristal saya. Satu set lengkap data tentang satu kristal terdiri daripada imej-imej ini diambil dari setiap sudut di sekeliling kristal kerana giroskop berputar.

Matematik Lanjutan

Rakan saya, Nicholas DeWeerd, duduk berdekatan, menganalisis set data yang telah saya kumpulkan.Dia telah berjaya mengabaikan penggera berbunyi dan lampu berkelip selama berjam-jam, menatap imej difraksi di skrinnya, dengan berkesan, memutar gambar X-ray dari semua sisi kristal ke dalam gambar atom di dalam kristal itu sendiri.

Pada tahun-tahun yang lalu, proses ini mungkin telah mengambil beberapa tahun pengiraan berhati-hati yang dilakukan dengan tangan, tetapi sekarang dia menggunakan pemodelan komputer untuk meletakkan semua keping bersama-sama. Beliau adalah pakar tidak rasmi kumpulan penyelidikan kami di bahagian ini teka-teki, dan dia suka. "Ia seperti Krismas!" Saya mendengar dia bergumam, kerana dia berkilat melalui imej-imej bergilir corak difraksi.

Saya tersenyum pada semangat dia berjaya mengekalkan sehingga larut malam, ketika saya menyalakan sinchotron untuk mendapatkan gambar saya kristal bertengger di stesen B. Saya memegang nafas saya sebagai corak difraksi dari beberapa sudut pertama yang muncul di skrin. Tidak semua kristal meresap, walaupun saya telah menetapkan semuanya dengan sempurna. Selalunya itu kerana setiap kristal terdiri daripada banyak kristal yang lebih kecil yang tersekat, atau kristal yang mengandungi terlalu banyak kekotoran untuk membentuk corak kristal yang berulang yang dapat kita selesaikan secara matematik.

Jika yang ini tidak memberikan imej yang jelas, saya perlu memulakan dan menetapkan yang lain. Nasib baik, dalam kes ini, beberapa imej pertama yang muncul menunjukkan titik difraksi yang terang dan jelas. Saya tersenyum dan duduk untuk mengumpul sisa set data. Sekarang sebagai whirls gyroscope dan sinar sinar-X melancarkan sampel, saya mempunyai beberapa minit untuk berehat.

Saya akan minum beberapa kopi untuk berjaga-jaga, tetapi tangan saya sudah ternganga dari beban kafein. Sebaliknya, saya menyeru kepada Nick: "Saya akan mengambil pusingan." Saya berjalan kaki ke sekumpulan basikal yang duduk berdekatan. Biasanya digunakan hanya untuk mengelilingi bangunan besar yang mengandungi synchrotron, saya dapati mereka sama-sama membantu untuk percubaan terdesak untuk bangun dengan beberapa senaman.

Semasa saya naik, saya berfikir tentang kristal yang dipasang pada gyroscope. Saya telah menghabiskan bulan mensintesiskannya, dan tidak lama lagi saya akan mempunyai gambar itu. Dengan gambar itu, saya akan mendapat pemahaman tentang sama ada perubahan yang telah saya buat terhadapnya, yang membuatnya sedikit berbeza daripada bahan lain yang telah saya buat pada masa lalu, telah membaikinya sama sekali. Jika saya melihat bukti pembungkusan yang lebih baik atau interaksi intermolecular yang lebih baik, ini bermakna molekul adalah calon yang baik untuk ujian dalam peranti elektronik.

Lelah, tapi gembira karena saya mengumpulkan data yang berguna, saya perlahan-lahan pedal di sekitar gelung, dengan menyatakan bahwa synchrotron itu sangat tinggi. Apabila beamline berjalan, ia digunakan 24/7, itulah sebabnya saya bekerja sepanjang malam. Saya bernasib baik untuk mendapatkan slot masa sama sekali. Di stesen lain, penyelidik lain seperti saya bekerja lewat malam.

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan oleh Kerry Rippy. Baca artikel asal di sini.