Vad är Advanced Photon Source? Hur Ultra Bright Röntgenstrålar är gjorda

Det är 4 på morgonen, och jag har varit uppe i ca 20 timmar rakt. Ett högt larm blar, åtföljt av röda strålkastarljus blinkar. En sträng röst meddelar, "Söker station B. Avsluta omedelbart." Det känns som en nödsituation, men det är det inte. I själva verket har larmet redan gått 60 eller 70 gånger idag. Det är en varning och låter alla i närheten veta att jag är på väg att spränga en röntgenstråle i ett litet rum fullt av elektronisk utrustning och plumes av förångande flytande kväve.

I mitten av detta rum, som kallas station B, har jag placerat en kristall utan tjockare än ett mänskligt hår på toppen av en liten glasfiber. Jag har förberett tiotals av dessa kristaller och försöker att analysera dem alla.

Dessa kristaller är gjorda av organiska halvledande material, som används för att göra dataplatser, LED-lampor, smarttelefonskärmar och solpaneler. Jag vill ta reda på exakt var varje atom inne i kristallerna ligger, hur tätt packade de är och hur de interagerar med varandra. Denna information hjälper mig att förutsäga hur bra el kommer att flöda genom dem.

För att se dessa atomer och bestämma sin struktur behöver jag hjälp av en synkrotron, som är ett massivt vetenskapligt instrument som innehåller en kilometerlängd elektronikkonzoom som zoomar runt i närheten av ljusets hastighet. Jag behöver också ett mikroskop, ett gyroskop, flytande kväve, lite tur, en begåvad kollega och en tricycle.

Att få kristallen på plats

Det första steget i detta experiment involverar att placera de super-små kristallerna på glasfiberns spets. Jag använder en nål för att skrapa en hög av dem tillsammans på en glasskiva och placera dem under ett mikroskop. Kristallerna är vackra - färgglada och fasetterade som små ädelstenar. Jag tycker ofta att jag är transfixerad och stirrar med sömnberövade ögon i mikroskopet och refokuserar min blick innan du noggrant coaxar en på glasfiberns spets.

När jag har fått kristallen kopplad till fibern börjar jag den ofta frustrerande uppgiften att centrera kristallen på spetsen av ett gyroskop i station B. Denna enhet kommer att rotera kristallen runt, långsamt och kontinuerligt, så att jag kan få X- ray bilder av det från alla håll.

När den spinner, används flytande kväveånga för att kyla ner det: Även vid rumstemperatur vibrerar atomer fram och tillbaka, vilket gör det svårt att få tydliga bilder av dem. Kylning av kristallen till minus 196 grader Celsius, temperaturen för flytande kväve, gör atomerna slutar flytta så mycket.

Röntgenfotografi

När jag har kristallen centrerad och kyld, stänger jag av station B, och från en datorstyrningscentral utanför den sprängar provet med röntgenstrålar. Den resulterande bilden, kallad diffraktionsmönster, visas som ljusa fläckar på en orange bakgrund.

Vad jag gör är inte så mycket annorlunda än att ta bilder med en kamera och en blixt. Jag är på väg att skicka ljusstrålar i ett objekt och registrera hur ljuset studsar av det. Men jag kan inte använda synligt ljus för att fotografera atomer - de är för små, och ljusets våglängder i den synliga delen av spektret är för stora. Röntgenstrålar har kortare våglängder, så de kommer att diffraktera eller studsa av atomer.

I motsats till en kamera kan dock diffrakterade röntgen inte fokuseras med en enkel lins. Istället för en fotografisk bild, är de data som jag samlar in ett ofokuserat mönster av var röntgenstrålarna gick efter att de studsade av atomerna i min kristall. En fullständig uppsättning data om en kristall består av dessa bilder tagna från alla vinklar runt kristallen när gyroskopet roterar det.

Avancerad matematik

Min kollega, Nicholas DeWeerd, sitter i närheten, analyserar datasatser som jag redan har samlat in.Han har lyckats ignorera de blaringlarm och blinkande lamporna i timmar, stirrar på diffraktionsbilder på skärmen för att i själva verket vrida röntgenbilderna från alla sidor av kristallen till en bild av atomerna inne i själva kristallen.

Under år tidigare kan det ha gått många år med noggranna beräkningar gjorda för hand, men nu använder han datormodellering för att sätta alla bitar ihop. Han är vår forskningsgrupps inofficiella expert på den här delen av pusslet, och han älskar det. "Det är som jul!" Jag hör honom mutter, som han flips genom blinkande bilder av diffraktionsmönster.

Jag ler på entusiasmen som han lyckats behålla så sent på natten som jag eldar upp synkronen för att få mina bilder av kristallen uppe i station B. Jag håller andan som diffraktionsmönster från de första vinklarna dyker upp på skärmen. Inte alla kristaller diffraderar, även om jag har satt upp allt helt. Ofta beror det på att varje kristall består av massor av ännu mindre kristaller som fastnar ihop, eller kristaller som innehåller för många föroreningar för att bilda ett upprepande kristallint mönster som vi matematiskt kan lösa.

Om den här inte levererar klara bilder måste jag börja om och ställa in en annan. Lyckligtvis, i det här fallet, de första bilderna som dyker upp visar ljusa, tydliga diffraktionspunkter. Jag ler och luta mig tillbaka för att samla resten av datasatsen. Nu när gyroskopet virvlar och röntgenstrålarna spränger provet, har jag några minuter att slappna av.

Jag skulle dricka lite kaffe för att vara vaken, men mina händer skakar redan från koffeinöverbelastning. I stället ringer jag till Nick: "Jag ska ta ett varv." Jag går över till en grupp trehjulingar som sitter i närheten. Normalt används bara för att komma runt den stora byggnaden som innehåller synkrotronen, jag finner dem lika bra för ett desperat försök att vakna med lite träning.

När jag rider tänker jag på kristallen monterad på gyroskopet. Jag har spenderat månader på att syntetisera det, och snart får jag en bild av den. Med bilden får jag förståelse för om de ändringar som jag har gjort till det, vilket gör det lite annorlunda än andra material jag tidigare gjort, har förbättrat det alls. Om jag ser bevis på bättre packning eller ökade intermolekylära interaktioner, kan det betyda att molekylen är en bra kandidat för testning i elektroniska enheter.

Utmattad, men glad för att jag samlar in användbar data, trampar jag långsamt runt slingan och noterar att synkrotronen är i hög efterfrågan. När strålkanten är igång används den 24/7, varför jag jobbar hela natten. Jag hade tur att få en tidslucka alls. På andra stationer arbetar andra forskare som jag med sent på natten.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation av Kerry Rippy. Läs den ursprungliga artikeln här.