Het is 4 uur, en ik ben al zo'n 20 uur achter elkaar op. Er klinkt een luid alarm, vergezeld van rode stroboscooplichten die knipperen. Een strenge stem kondigt aan, "Zoek station B. Verlaat onmiddellijk." Het voelt als een noodgeval, maar dat is het niet. In feite, het alarm is vandaag al 60 of 70 keer afgegaan. Het is een waarschuwing, iedereen in de buurt laten weten dat ik op het punt sta een krachtige röntgenstraal in een kleine kamer vol elektronische apparatuur en pluimen verdampende vloeibare stikstof te schieten.

In het midden van deze kamer, dat station B wordt genoemd, Ik heb een kristal geplaatst dat niet dikker is dan een mensenhaar op het puntje van een piepklein glasvezeltje. Ik heb tientallen van deze kristallen bereid, en ik probeer ze allemaal te analyseren.

Deze kristallen zijn gemaakt van organische halfgeleidende materialen, die worden gebruikt om computerchips te maken, LED lichten, smartphoneschermen en zonnepanelen. Ik wil precies weten waar elk atoom in de kristallen zich bevindt, hoe dicht opeengepakt ze zijn en hoe ze met elkaar omgaan. Deze informatie zal me helpen te voorspellen hoe goed de elektriciteit er doorheen zal stromen.

Om deze atomen te zien en hun structuur te bepalen, Ik heb de hulp nodig van een synchrotron, dat is een enorm wetenschappelijk instrument met een kilometerlange lus van elektronen die rondzoomen met bijna de snelheid van het licht. Ik heb ook een microscoop nodig, een gyroscoop, vloeibare stikstof, een beetje geluk, een begenadigd collega en een driewieler.

Het kristal op zijn plaats krijgen

De eerste stap van dit experiment omvat het plaatsen van de superkleine kristallen op de punt van de glasvezel. Met een naald schraap ik een stapeltje bij elkaar op een glasplaatje en leg ze onder een microscoop. De kristallen zijn prachtig - kleurrijk en gefacetteerd als kleine edelstenen. Ik vind mezelf vaak aan de grond genageld, staren met slaaparme ogen in de microscoop, en mijn blik opnieuw richten voordat ik er een nauwgezet op het puntje van een glasvezel lokte.

Zodra ik het kristal aan de vezel heb bevestigd, Ik begin met de vaak frustrerende taak om het kristal te centreren op de punt van een gyroscoop in station B. Dit apparaat zal het kristal ronddraaien, langzaam en continu, waardoor ik er van alle kanten röntgenfoto's van kan maken.

Terwijl het draait, vloeibare stikstofdamp wordt gebruikt om het af te koelen:zelfs bij kamertemperatuur, atomen trillen heen en weer, waardoor het moeilijk is om duidelijke beelden van hen te krijgen. Het kristal afkoelen tot min 196 graden Celsius, de temperatuur van vloeibare stikstof, zorgt ervoor dat de atomen zo veel stoppen met bewegen.

Röntgenfotografie

Zodra ik het kristal gecentreerd en afgekoeld heb, Ik sluit station B af, en van een computerbesturingscentrum daarbuiten, bestraal het monster met röntgenstralen. Het resulterende beeld, een diffractiepatroon genoemd, wordt weergegeven als heldere vlekken op een oranje achtergrond.

Wat ik doe is niet heel anders dan fotograferen met een camera en een flitser. Ik sta op het punt lichtstralen naar een object te sturen en vast te leggen hoe het licht erop weerkaatst. Maar ik kan geen zichtbaar licht gebruiken om atomen te fotograferen - ze zijn te klein, en de golflengten van licht in het zichtbare deel van het spectrum zijn te groot. Röntgenstralen hebben kortere golflengten, zodat ze breken, of atomen weerkaatsen.

Echter, in tegenstelling tot een camera, afgebogen röntgenstralen kunnen niet worden scherpgesteld met een eenvoudige lens. In plaats van een foto-achtig beeld, de gegevens die ik verzamel zijn een ongericht patroon van waar de röntgenstralen naartoe gingen nadat ze van de atomen in mijn kristal waren teruggekaatst. Een volledige set gegevens over één kristal bestaat uit deze afbeeldingen die vanuit elke hoek rondom het kristal zijn genomen terwijl de gyroscoop het ronddraait.

Geavanceerde wiskunde

Mijn collega, Nicolaas De Weerd, zit in de buurt, het analyseren van datasets die ik al heb verzameld. Hij is erin geslaagd om urenlang de schetterende alarmen en flitsende lichten te negeren, staren naar diffractiebeelden op zijn scherm om, in werkelijkheid, verander de röntgenfoto's van alle kanten van het kristal in een afbeelding van de atomen in het kristal zelf.

In de afgelopen jaren, dit proces heeft misschien jaren van zorgvuldige berekeningen met de hand gekost, maar nu gebruikt hij computermodellering om alle stukjes bij elkaar te brengen. Hij is de onofficiële expert van onze onderzoeksgroep op dit deel van de puzzel, en hij vindt het geweldig. "Het is net Kerstmis!" Ik hoor hem mompelen, terwijl hij door fonkelende beelden van diffractiepatronen bladert.

Ik glimlach om het enthousiasme dat hij tot diep in de nacht heeft weten vast te houden, terwijl ik de synchotron start om mijn foto's van het kristal in station B te krijgen. Ik houd mijn adem in terwijl diffractiepatronen uit de eerste paar hoeken op het scherm verschijnen. Niet alle kristallen buigen, ook al heb ik alles perfect ingesteld. Vaak is dat omdat elk kristal bestaat uit nog veel kleinere kristallen die aan elkaar zijn geplakt, of kristallen die te veel onzuiverheden bevatten om een ​​zich herhalend kristallijn patroon te vormen dat we wiskundig kunnen oplossen.

Als deze geen duidelijke beelden levert, Ik moet opnieuw beginnen en een andere opzetten. Gelukkig, in dit geval, de eerste paar afbeeldingen die verschijnen, zijn helder, duidelijke diffractievlekken. Ik glimlach en leun achterover om de rest van de dataset te verzamelen. Nu de gyroscoop ronddraait en de röntgenstraal op het monster blaast, Ik heb een paar minuten om te ontspannen.

Ik zou wat koffie drinken om alert te blijven, maar mijn handen trillen al van een overdaad aan cafeïne. In plaats daarvan, Ik roep naar Nick:"Ik ga een rondje doen." Ik loop naar een groep driewielers die in de buurt zit. Gewoonlijk gebruikt om het grote gebouw met de synchrotron te omzeilen, Ik vind ze even nuttig voor een wanhopige poging om wakker te worden met wat oefening.

Terwijl ik rijd, Ik denk aan het kristal dat op de gyroscoop is gemonteerd. Ik heb er maanden over gedaan om het te synthetiseren, en binnenkort heb ik er een foto van. Met de foto, Ik zal begrijpen of de wijzigingen die ik heb aangebracht, waardoor het iets anders is dan andere materialen die ik in het verleden heb gemaakt, heb het helemaal verbeterd. Als ik bewijs zie van een betere pakking of verhoogde intermoleculaire interacties, dat zou kunnen betekenen dat het molecuul een goede kandidaat is om te testen in elektronische apparaten.

Uitgeput, maar blij omdat ik nuttige gegevens verzamel, Ik pedaal langzaam rond de lus, opmerkend dat er veel vraag is naar de synchrotron. Wanneer de bundellijn loopt, het wordt 24/7 gebruikt, daarom werk ik de hele nacht door. Ik had het geluk om überhaupt een tijdslot te krijgen. Op andere stations, andere onderzoekers zoals ik werken tot diep in de nacht.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.