Videnskabsmand på arbejde:At tage billeder i atomskala af små krystaller, brug en kæmpe, kilometer lang synkrotron

Klokken er 4 om morgenen, og jeg har været oppe i cirka 20 timer i træk. En høj alarm brager, ledsaget af røde blinklys blinker. En streng stemme meddeler, "Søger station B. Afslut med det samme." Det føles som en nødsituation, men det er det ikke. Faktisk, alarmen er allerede gået 60 eller 70 gange i dag. Det er en advarsel, Lad alle i nærheden vide, at jeg er ved at sprænge en kraftig røntgenstråle ind i et lille rum fuld af elektronisk udstyr og fjer af fordampende flydende nitrogen.

I midten af ​​dette rum, som kaldes station B, Jeg har placeret en krystal, der ikke er tykkere end et menneskehår, på spidsen af ​​en lille glasfiber. Jeg har forberedt snesevis af disse krystaller, og jeg forsøger at analysere dem alle.

Disse krystaller er lavet af organiske halvledende materialer, som bruges til at lave computerchips, LED lys, smartphone skærme og solpaneler. Jeg vil finde ud af præcist, hvor hvert atom inde i krystallerne er placeret, hvor tæt pakket de er, og hvordan de interagerer med hinanden. Disse oplysninger hjælper mig med at forudsige, hvor godt elektricitet vil strømme gennem dem.

For at se disse atomer og bestemme deres struktur, Jeg har brug for hjælp fra en synkrotron, som er et massivt videnskabeligt instrument, der indeholder en kilometer lang sløjfe af elektroner, der zoomer rundt med næsten lysets hastighed. Jeg har også brug for et mikroskop, et gyroskop, flydende nitrogen, lidt held, en begavet kollega og en trehjulet cykel.

At få krystallen på plads

Det første trin i dette eksperiment involverer at placere de supersmå krystaller på spidsen af ​​glasfiberen. Jeg bruger en nål til at skrabe en bunke af dem sammen på et objektglas og sætter dem under et mikroskop. Krystallerne er smukke - farverige og facetterede som små ædelstene. Jeg oplever ofte, at jeg er forvirret, stirrer med søvnfattige øjne ind i mikroskopet, og fokuserer mit blik igen, før jeg omhyggeligt lokker en til spidsen af ​​en glasfiber.

Når jeg har fået krystallen fastgjort til fiberen, Jeg begynder den ofte frustrerende opgave med at centrere krystallen på spidsen af ​​et gyroskop inde i station B. Denne enhed vil dreje krystallen rundt, langsomt og kontinuerligt, giver mig mulighed for at få røntgenbilleder af det fra alle sider.

Når det snurrer, flydende nitrogendamp bruges til at afkøle den:Selv ved stuetemperatur, atomer vibrerer frem og tilbage, gør det svært at få klare billeder af dem. Afkøling af krystallen til minus 196 grader Celsius, temperaturen af ​​flydende nitrogen, får atomerne til at stoppe med at bevæge sig så meget.

Røntgenfotografering

Når jeg har krystallen centreret og afkølet, Jeg lukker station B, og fra et computerkontrolhub uden for det, spræng prøven med røntgenstråler. Det resulterende billede, kaldes et diffraktionsmønster, vises som lyse pletter på en orange baggrund.

Det, jeg laver, er ikke meget anderledes end at tage billeder med et kamera og en blitz. Jeg er ved at sende lysstråler mod et objekt og registrere, hvordan lyset hopper af det. Men jeg kan ikke bruge synligt lys til at fotografere atomer – de er for små, og lysets bølgelængder i den synlige del af spektret er for store. Røntgenstråler har kortere bølgelængder, så de vil afbøde, eller hoppe af atomer.

Imidlertid, i modsætning til et kamera, diffrakterede røntgenstråler kan ikke fokuseres med en simpel linse. I stedet for et fotolignende billede, de data, jeg indsamler, er et ufokuseret mønster af, hvor røntgenstrålerne gik, efter at de sprang af atomerne i min krystal. Et komplet sæt data om en krystal består af disse billeder taget fra alle vinkler rundt om krystallen, mens gyroskopet drejer den.

Avanceret matematik

Min kollega, Nicholas DeWeerd, sidder i nærheden, analysere datasæt, jeg allerede har indsamlet. Han har formået at ignorere de bragende alarmer og blinkende lys i timevis, stirrede på diffraktionsbilleder på sin skærm til, træde i kræft, forvandle røntgenbillederne fra alle sider af krystallen til et billede af atomerne inde i selve krystallen.

I tidligere år, denne proces kan have taget mange års omhyggelige beregninger udført i hånden, men nu bruger han computermodellering til at sætte alle brikkerne sammen. Han er vores forskningsgruppes uofficielle ekspert i denne del af puslespillet, og han elsker det. "Det er ligesom jul!" Jeg hører ham mumle, mens han bladrer gennem blinkende billeder af diffraktionsmønstre.

Jeg smiler over den entusiasme, han har formået at bevare så langt ud på natten, mens jeg fyrer op for synkotronen for at få mine billeder af krystallen placeret i station B. Jeg holder vejret, mens diffraktionsmønstre fra de første par vinkler dukker op på skærmen. Ikke alle krystaller afbøjer, selvom jeg har sat alt perfekt op. Ofte skyldes det, at hver krystal består af masser af endnu mindre krystaller, der sidder sammen, eller krystaller, der indeholder for mange urenheder til at danne et gentaget krystallinsk mønster, som vi matematisk kan løse.

Hvis denne ikke leverer klare billeder, Jeg bliver nødt til at starte forfra og oprette en anden. Heldigvis, I dette tilfælde, de første par billeder, der dukker op, viser lyse, klare diffraktionspletter. Jeg smiler og læner mig tilbage for at indsamle resten af ​​datasættet. Nu da gyroskopet hvirvler og røntgenstrålen sprænger prøven, Jeg har et par minutter til at slappe af.

Jeg ville drikke noget kaffe for at være opmærksom, men mine hænder ryster allerede af koffeinoverbelastning. I stedet, Jeg ringer til Nick:"Jeg tager en omgang." Jeg går hen til en gruppe trehjulede cykler, der sidder i nærheden. Normalt brugt bare til at komme rundt i den store bygning, der indeholder synkrotronen, Jeg finder dem lige så nyttige til et desperat forsøg på at vågne op med noget motion.

Mens jeg kører, Jeg tænker på krystallen monteret på gyroskopet. Jeg har brugt måneder på at syntetisere det, og snart får jeg et billede af det. Med billedet, Jeg vil få en forståelse af, om de ændringer, jeg har lavet til det, hvilket gør det lidt anderledes end andre materialer, jeg tidligere har lavet, har forbedret det overhovedet. Hvis jeg ser tegn på bedre pakning eller øgede intermolekylære interaktioner, det kan betyde, at molekylet er en god kandidat til test i elektroniske enheder.

Udmattet, men glad, fordi jeg indsamler nyttige data, Jeg træder langsomt rundt i løkken, bemærker, at synkrotronen er i høj efterspørgsel. Når strålelinjen kører, den bruges 24/7, derfor arbejder jeg hele natten. Jeg var så heldig at få et tidsrum overhovedet. På andre stationer, andre forskere som mig arbejder langt ud på natten.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.