Sono le 4 del mattino, e sono stato sveglio per circa 20 ore di fila. Un forte allarme sta suonando, accompagnato da luci stroboscopiche rosse lampeggianti. Una voce severa annuncia, "Ricerca stazione B. Esci immediatamente." Sembra un'emergenza, ma non lo è. Infatti, l'allarme è già suonato 60 o 70 volte oggi. è un avvertimento, facendo sapere a tutti nelle vicinanze che sto per far esplodere un raggio di raggi X ad alta potenza in una piccola stanza piena di apparecchiature elettroniche e pennacchi di azoto liquido in fase di vaporizzazione.

Al centro di questa stanza, che si chiama stazione B, Ho posizionato un cristallo non più spesso di un capello umano sulla punta di una minuscola fibra di vetro. Ho preparato dozzine di questi cristalli, e sto cercando di analizzarli tutti.

Questi cristalli sono fatti di materiali semiconduttori organici, che vengono utilizzati per realizzare chip per computer, Luci a LED, schermi di smartphone e pannelli solari. Voglio scoprire con precisione dove si trova ogni atomo all'interno dei cristalli, quanto sono densamente impacchettati e come interagiscono tra loro. Queste informazioni mi aiuteranno a prevedere quanto bene l'elettricità scorrerà attraverso di loro.

Per vedere questi atomi e determinarne la struttura, Ho bisogno dell'aiuto di un sincrotrone, che è un enorme strumento scientifico contenente un ciclo di elettroni lungo un chilometro che si avvicina alla velocità della luce. Ho anche bisogno di un microscopio, un giroscopio, nitrogeno liquido, un po' di fortuna, un collega dotato e un triciclo.

Mettere il cristallo a posto

Il primo passo di questo esperimento consiste nel posizionare i minuscoli cristalli sulla punta della fibra di vetro. Uso un ago per raschiarne una pila su un vetrino e metterli al microscopio. I cristalli sono bellissimi, colorati e sfaccettati come piccole gemme. spesso mi trovo trafitto, fissando con occhi privati ​​del sonno il microscopio, e rifocalizzando il mio sguardo prima di indurne uno scrupolosamente sulla punta di una fibra di vetro.

Una volta che ho attaccato il cristallo alla fibra, Comincio il compito spesso frustrante di centrare il cristallo sulla punta di un giroscopio all'interno della stazione B. Questo dispositivo farà ruotare il cristallo, lentamente e continuamente, permettendomi di ottenere immagini a raggi X di esso da tutti i lati.

Mentre gira, Il vapore di azoto liquido viene utilizzato per raffreddarlo:anche a temperatura ambiente, gli atomi vibrano avanti e indietro, rendendo difficile ottenere immagini chiare di loro. Raffreddando il cristallo a meno 196 gradi Celsius, la temperatura dell'azoto liquido, fa sì che gli atomi smettano di muoversi così tanto.

Fotografia a raggi X

Una volta che ho centrato e raffreddato il cristallo, chiudo la stazione B, e da un hub di controllo del computer al di fuori di esso, far saltare il campione con i raggi X. L'immagine risultante, chiamato schema di diffrazione, viene visualizzato come punti luminosi su uno sfondo arancione.

Quello che sto facendo non è molto diverso dal fotografare con una macchina fotografica e un flash. Sto per inviare raggi di luce su un oggetto e registrare come la luce vi rimbalza. Ma non posso usare la luce visibile per fotografare gli atomi:sono troppo piccoli, e le lunghezze d'onda della luce nella parte visibile dello spettro sono troppo grandi. I raggi X hanno lunghezze d'onda più corte, così si diffrangeranno, o rimbalzare sugli atomi.

Però, a differenza di una macchina fotografica, i raggi X diffratti non possono essere messi a fuoco con una semplice lente. Invece di un'immagine simile a una fotografia, i dati che raccolgo sono uno schema sfocato di dove sono andati i raggi X dopo che sono rimbalzati sugli atomi nel mio cristallo. Un set completo di dati su un cristallo è costituito da queste immagini prese da ogni angolo intorno al cristallo mentre il giroscopio lo fa girare.

matematica avanzata

La mia collega, Nicholas De Weerd, si siede vicino, analizzando i set di dati che ho già raccolto. È riuscito a ignorare gli allarmi a tutto volume e le luci lampeggianti per ore, fissando le immagini di diffrazione sul suo schermo per, in effetti, trasforma le immagini a raggi X da tutti i lati del cristallo in un'immagine degli atomi all'interno del cristallo stesso.

Negli anni passati, questo processo potrebbe aver richiesto anni di calcoli accurati fatti a mano, ma ora usa la modellazione al computer per mettere insieme tutti i pezzi. È l'esperto non ufficiale del nostro gruppo di ricerca in questa parte del puzzle, e lui lo adora. "È come Natale!" lo sento borbottare, mentre sfoglia immagini scintillanti di schemi di diffrazione.

Sorrido per l'entusiasmo che è riuscito a mantenere fino a tarda notte, mentre accendo il sincotrone per ottenere le mie immagini del cristallo appollaiato nella stazione B. Trattengo il respiro mentre i modelli di diffrazione dai primi angoli compaiono sullo schermo. Non tutti i cristalli diffrangono, anche se ho impostato tutto alla perfezione. Spesso è perché ogni cristallo è composto da molti cristalli ancora più piccoli attaccati insieme, o cristalli contenenti troppe impurità per formare uno schema cristallino ripetitivo che possiamo risolvere matematicamente.

Se questo non fornisce immagini chiare, Dovrò ricominciare da capo e configurarne un altro. Per fortuna, in questo caso, le prime immagini che compaiono mostrano luminose, chiari punti di diffrazione. Sorrido e mi siedo per raccogliere il resto del set di dati. Ora, mentre il giroscopio gira e il raggio di raggi X fa esplodere il campione, Ho qualche minuto per rilassarmi.

berrei del caffè per stare all'erta, ma le mie mani stanno già tremando per il sovraccarico di caffeina. Anziché, Chiamo Nick:"Vado a fare un giro." Mi avvicino a un gruppo di tricicli seduti lì vicino. Normalmente utilizzato solo per aggirare il grande edificio contenente il sincrotrone, Li trovo ugualmente utili per un disperato tentativo di svegliarsi con un po' di esercizio.

mentre guido, Penso al cristallo montato sul giroscopio. Ho passato mesi a sintetizzarlo, e presto ne avrò una foto. Con l'immagine, Capirò se le modifiche che ho apportato ad esso, che lo rendono leggermente diverso dagli altri materiali che ho realizzato in passato, l'hanno migliorato del tutto. Se vedo prove di un migliore imballaggio o di un aumento delle interazioni intermolecolari, ciò potrebbe significare che la molecola è un buon candidato per i test in dispositivi elettronici.

Esausto, ma felice perché sto raccogliendo dati utili, Pedalo lentamente intorno al giro, notando che il sincrotrone è molto richiesto. Quando la linea di luce è in funzione, è utilizzato 24 ore su 24, 7 giorni su 7, ecco perché lavoro tutta la notte. Sono stato fortunato ad avere una fascia oraria. In altre stazioni, altri ricercatori come me lavorano fino a tarda notte.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.