Scientifique au travail: À prendre à l’échelle atomique des photos de petits cristaux, utilisez un énorme, kilomètres de long, la synchrotron

 Scientist at work: To take atomic-scale pictures of tiny crystals, use a huge, kilometer-long synchrotron

 Scientist at work: To take atomic-scale pictures of tiny crystals, use a huge, kilometer-long synchrotron

Par Kerry Rippy

Mardi, 4 décembre 2018 5:36 PM UTC

 Scientist at work: To take atomic-scale pictures of tiny crystals, use a huge, kilometer-long synchrotron0 commentaires

Il est 4 heures du matin, et j’ai été debout pendant environ 20 heures d’affilée. Une forte alarme est tonitruante, accompagné par red lumières stroboscopiques à clignoter. D’une voix sévère annonce, “à la Recherche de la station B. le Quitter immédiatement.” Il se sent comme une urgence, mais il ne l’est pas. En fait, l’alarme a déjà allé 60 ou 70 fois aujourd’hui. C’est un avertissement, laissant tout le monde dans le voisinage sais que je suis sur le point d’explosion de forte puissance du faisceau de rayons X dans une petite salle pleine de l’équipement électronique et des panaches de vaporisation de l’azote liquide.

Au centre de cette salle, qui est appelé la station B, j’ai placé un cristal pas plus épais qu’un cheveu sur la pointe d’un minuscule fibre de verre. J’ai préparé des dizaines de ces cristaux, et je suis d’essayer d’analyser tous les d’entre eux.

 Scientist at work: To take atomic-scale pictures of tiny crystals, use a huge, kilometer-long synchrotron

L’auteur et ses collègues de la préparation cristalline des échantillons à prendre pour le synchrotron, dans l’espoir de déterminer leur niveau atomique structures. Courtoisie de Kerry Rippy, CC BY-ND

Ces cristaux sont faites de organique matériaux semi-conducteurs, qui sont utilisés pour fabriquer des puces d’ordinateur, des feux à LED, les écrans de smartphone et de panneaux solaires. Je voulez savoir précisément où chaque atome à l’intérieur de cristaux est situé, comment denses qu’ils sont et comment ils interagissent les uns avec les autres. Cette information va m’aider à prédire comment l’électricité circule à travers eux.

Pour voir ces atomes et de déterminer leur structure, j’ai besoin de l’aide d’un synchrotron, qui est un énorme instrument scientifique contenant un kilomètre de long de la boucle d’électrons zoom autour à près de la vitesse de la lumière. J’ai aussi besoin d’un microscope, d’un gyroscope, de l’azote liquide, un peu de chance, un talentueux collègue et un tricycle.

Obtenir le cristal en place

La première étape de cette expérience consiste à placer les super-cristaux minuscules sur le bout de la fibre de verre. J’utilise une aiguille de gratter un tas d’ensemble sur une lame de verre et de les mettre sous un microscope. Les cristaux sont belles, colorées et facetté comme des petites pierres précieuses. Je me retrouve souvent figé, regardant avec manque de sommeil, les yeux dans le microscope, et de recentrer mon regard avant de soigneusement amadouer l’un sur l’extrémité d’une fibre de verre.

Une fois que j’ai obtenu le cristal attaché à la fibre, je commence souvent frustrant tâche de centrer le cristal sur la pointe d’un gyroscope à l’intérieur de la station B. Cet appareil fera tourner le cristal autour, lentement et en continu, ce qui me permet d’obtenir des images aux rayons X des de tous les côtés.

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Sur la gauche se trouve le gyroscope, conçu pour faire tourner le cristal à travers une série de différents angles que le faisceau de rayons X il frappe. Derrière, c’est le panneau de détecteur qui enregistre les taches de diffraction. Sur la droite est un zoom dans l’image d’un cristal unique, monté sur une fibre de verre reliée à l’extrémité du gyroscope. Kerry Rippy, CC BY-ND

Pendant qu’elle tourne, de l’azote liquide, la vapeur est utilisée pour refroidir: Même à la température ambiante, les atomes vibrent d’avant en arrière, ce qui rend difficile d’obtenir des images claires. Le refroidissement du cristal, à moins 196 degrés Celsius, la température de l’azote liquide, rend les atomes d’arrêter de bouger beaucoup.

X-ray de la photographie

Une fois que j’ai le cristal centré et refroidi, je ferme la station B, et à partir d’un ordinateur de contrôle du hub à l’extérieur d’elle, le souffle de l’échantillon avec des rayons X. L’image qui en résulte, appelé un diagramme de diffraction, est affichée comme des points lumineux sur un fond orange.

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C’est un motif de diffraction lorsque vous tirez un faisceau de rayons X sur un cristal unique. Kerry Rippy, CC BY-ND

Ce que je fais n’est pas très différente de prendre des photos avec un appareil photo et un flash. Je suis sur le point d’envoyer des rayons de lumière d’un objet et d’enregistrer la façon dont la lumière rebondit. Mais je ne peux pas utiliser la lumière visible pour photographier les atomes – ils sont trop petits, et les longueurs d’onde de la lumière dans la partie visible du spectre sont trop gros. Les rayons X sont plus courtes longueurs d’onde, de sorte qu’ils diffractent, ou qui rebondissent sur les atomes.

Cependant, contrairement à un appareil photo, diffracte les rayons X ne peuvent pas être focalisé par une lentille simple. Au lieu de la photo comme image, les données que j’ai recueillons sont un flou modèle de l’endroit où les rayons X sont allés après ils ont rebondi sur les atomes dans mon cristal. Un ensemble complet de données sur un cristal est constitué de ces images prises sous tous les angles, tout autour du cristal comme le gyroscope tourne.

Mathématiques avancées

Mon collègue, Nicolas DeWeerd, se trouve à proximité, de l’analyse des ensembles de données que j’ai déjà recueillies. Il a réussi à ignorer la métamorphose des alarmes et gyrophares pendant des heures, à regarder la diffraction des images sur son écran, en effet, tourner les images à rayons X de tous les côtés de la glace dans une image des atomes dans le cristal lui-même.

Au cours des dernières années, ce processus peut prendre des années de savants calculs effectués par la main, mais maintenant il utilise une modélisation informatique pour mettre toutes les pièces ensemble. Il est de notre groupe de recherche est officieux d’experts au niveau de cette partie du puzzle, et il aime ça. “C’est comme le jour de Noël!” Je l’entends murmurer, comme il le renverse par le scintillement des images de diffraction.

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La résolution d’un ensemble de diagrammes de diffraction produit un niveau atomique image d’un cristal, montrant des molécules individuelles (à gauche) et la façon dont ils pack ensemble pour former une structure cristalline. Kerry Rippy, CC BY-ND

Je souris à l’enthousiasme qu’il a réussi à maintenir si tard dans la nuit, comme j’ai le feu jusqu’à la synchotron pour obtenir mes photos de crystal perché dans la station B. je retiens mon souffle comme des diagrammes de diffraction de la première quelques angles pop up sur l’écran. Pas tous les cristaux de diffracter, même si j’ai mis tout parfaitement. Souvent c’est parce que chaque cristal est constitué de lots de même de petits cristaux collés, ou des cristaux contenant trop d’impuretés pour former une répétition cristalline d’un modèle que nous pouvons résoudre mathématiquement.

Si celui-ci n’est pas d’obtenir des images claires, je vais devoir tout recommencer et mettre en place une autre. Heureusement, dans ce cas, la première quelques images pop-up show lumineux, clair, taches de diffraction. Je sourire et de s’asseoir pour recueillir le reste de l’ensemble de données. Maintenant que le gyroscope tourbillons et le faisceau de rayons X aux souffles de l’échantillon, j’ai quelques minutes pour se détendre.

Je voudrais boire un peu de café pour rester éveillé, mais mes mains sont déjà en secouant de la caféine surcharge. Au lieu de cela, je fais appel à Nick: “je vais prendre un tour.” Je marche, un groupe de tricycles assis à proximité. Normalement utilisées seulement pour obtenir autour de la grand bâtiment contenant le synchrotron, je les trouve tout aussi utile pour une tentative désespérée de se réveiller avec un peu d’exercice.

Je roule, je pense que sur le cristal monté sur le gyroscope. J’ai passé des mois à synthétiser, et je vais bientôt avoir une photo de lui. Avec la photo, je vais de mieux comprendre si les modifications que j’ai faites pour elle, qui le rendent légèrement différente de celle d’autres matériaux que j’ai fait dans le passé, se sont améliorés à tous. Si je vois des traces de mieux l’emballage ou l’augmentation des interactions intermoléculaires, cela pourrait signifier que la molécule est un bon candidat pour les essais des appareils électroniques.

Épuisé, mais heureux parce que je suis la collecte de données utiles, je me suis lentement la pédale autour de la boucle, notant que le synchrotron est en forte demande. Lorsque la ligne est en cours d’exécution, il est utilisé 24/7, c’est pourquoi je suis en train de travailler à travers la nuit. J’ai eu la chance d’obtenir un intervalle de temps. Dans d’autres gares, d’autres chercheurs comme moi travaillent tard dans la nuit.

Prendre un tricycle pour une balade dans le Advanced Photon Source.

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