Apa Sumber Foton Lanjut? Bagaimana Sinar-Sinar Ultra-Cerah Terbuat

Sekarang jam 4 pagi, dan saya sudah bangun selama 20 jam berturut-turut. Alarm yang keras berbunyi nyaring, disertai dengan lampu sorot merah yang berkedip. Suara keras mengumumkan, "Mencari stasiun B. Segera keluar." Rasanya seperti darurat, tetapi tidak. Bahkan, alarm sudah berbunyi 60 atau 70 kali hari ini. Ini adalah peringatan, membiarkan semua orang di sekitarnya tahu bahwa saya akan meledakkan sinar-X dengan daya tinggi ke ruangan kecil yang penuh dengan peralatan elektronik dan gumpalan nitrogen cair yang menguap.

Di tengah ruangan ini, yang disebut stasiun B, saya telah menempatkan kristal yang tidak lebih tebal dari rambut manusia di ujung serat kaca kecil. Saya sudah menyiapkan puluhan kristal ini, dan saya mencoba menganalisis semuanya.

Kristal ini terbuat dari bahan semikonduktor organik, yang digunakan untuk membuat chip komputer, lampu LED, layar smartphone, dan panel surya. Saya ingin mengetahui dengan tepat di mana setiap atom di dalam kristal berada, seberapa padatnya mereka, dan bagaimana mereka saling berinteraksi. Informasi ini akan membantu saya memprediksi seberapa baik listrik akan mengalir melaluinya.

Untuk melihat atom-atom ini dan menentukan strukturnya, saya memerlukan bantuan synchrotron, yang merupakan instrumen ilmiah besar yang mengandung satu lingkaran elektron sepanjang satu kilometer yang bergerak cepat mendekati kecepatan cahaya. Saya juga membutuhkan mikroskop, giroskop, nitrogen cair, sedikit keberuntungan, kolega yang berbakat, dan sepeda roda tiga.

Mendapatkan Kristal di Tempat

Langkah pertama dari percobaan ini melibatkan menempatkan kristal super kecil di ujung serat gelas. Saya menggunakan jarum untuk mengikis tumpukan mereka ke slide kaca dan meletakkannya di bawah mikroskop. Kristal-kristal itu indah - berwarna-warni dan bercorak seperti batu permata kecil. Saya sering menemukan diri saya terpaku, menatap dengan mata kurang tidur ke dalam mikroskop, dan memfokuskan kembali pandangan saya sebelum dengan susah payah membujuk seseorang ke ujung serat gelas.

Setelah saya mendapatkan kristal yang menempel pada serat, saya memulai tugas yang sering membuat frustasi yaitu memusatkan kristal pada ujung giroskop di dalam stasiun B. Perangkat ini akan memutar kristal, perlahan dan terus menerus, memungkinkan saya untuk mendapatkan X gambar ray dari semua sisi.

Saat ia berputar, uap nitrogen cair digunakan untuk mendinginkannya: Bahkan pada suhu kamar, atom bergetar bolak-balik, sehingga sulit untuk mendapatkan gambar yang jelas. Mendinginkan kristal hingga minus 196 derajat Celcius, suhu nitrogen cair, membuat atom berhenti bergerak begitu banyak.

Fotografi X-ray

Setelah kristal terpusat dan dingin, saya menutup stasiun B, dan dari pusat kontrol komputer di luarnya, ledakan sampel dengan sinar-X. Gambar yang dihasilkan, disebut pola difraksi, ditampilkan sebagai titik terang pada latar belakang oranye.

Apa yang saya lakukan tidak jauh berbeda dari mengambil foto dengan kamera dan flash. Saya akan mengirim sinar cahaya pada suatu objek dan merekam bagaimana cahaya memantul darinya. Tapi saya tidak bisa menggunakan cahaya yang terlihat untuk memotret atom - mereka terlalu kecil, dan panjang gelombang cahaya di bagian spektrum yang terlihat terlalu besar. Sinar-X memiliki panjang gelombang lebih pendek, sehingga mereka akan berdifraksi, atau memantul atom.

Namun, tidak seperti dengan kamera, sinar-X yang terdifraksi tidak dapat difokuskan dengan lensa sederhana. Alih-alih gambar seperti foto, data yang saya kumpulkan adalah pola yang tidak fokus ke mana sinar-X pergi setelah mereka memantul dari atom-atom dalam kristal saya. Seperangkat penuh data tentang satu kristal terdiri dari gambar-gambar ini diambil dari setiap sudut di sekitar kristal saat giroskop memutarnya.

Matematika Tingkat Lanjut

Rekan saya, Nicholas DeWeerd, duduk di dekatnya, menganalisis set data yang telah saya kumpulkan.Dia telah berhasil mengabaikan alarm yang menyala-nyala dan lampu yang berkedip-kedip selama berjam-jam, menatap gambar difraksi pada layarnya untuk, pada dasarnya, mengubah gambar sinar-X dari semua sisi kristal menjadi gambar atom di dalam kristal itu sendiri.

Di tahun-tahun yang lalu, proses ini mungkin membutuhkan bertahun-tahun perhitungan hati-hati yang dilakukan dengan tangan, tetapi sekarang dia menggunakan pemodelan komputer untuk menyatukan semua bagian. Dia adalah pakar kelompok riset kami di bagian teka-teki ini, dan dia menyukainya. "Ini seperti Natal!" Aku mendengarnya bergumam, sambil membalik-balik gambar sekilas dari pola difraksi.

Saya tersenyum pada antusiasme yang berhasil ia pertahankan hingga larut malam, ketika saya menyalakan sinkotron untuk mendapatkan foto-foto kristal saya yang bertengger di stasiun B. Saya menahan napas ketika pola difraksi dari beberapa sudut pertama muncul di layar.. Tidak semua kristal berdifraksi, bahkan jika saya sudah mengatur semuanya dengan sempurna. Seringkali itu karena setiap kristal terdiri dari banyak kristal yang bahkan lebih kecil yang saling menempel, atau kristal yang mengandung terlalu banyak pengotor untuk membentuk pola kristal berulang yang dapat kita selesaikan secara matematis.

Jika yang ini tidak memberikan gambar yang jelas, saya harus memulai dari awal dan mengatur yang lain. Untungnya, dalam kasus ini, beberapa gambar pertama yang muncul menunjukkan tempat difraksi yang cerah dan jelas. Saya tersenyum dan duduk untuk mengumpulkan sisa kumpulan data. Sekarang ketika giroskop berputar dan sinar-X ledakan sampel, saya punya beberapa menit untuk bersantai.

Saya akan minum kopi untuk tetap waspada, tetapi tangan saya sudah gemetaran karena kelebihan kafein. Sebagai gantinya, saya memanggil Nick: "Saya akan mengambil putaran." Saya berjalan ke sekelompok becak yang duduk di dekatnya. Biasanya digunakan hanya untuk berkeliling gedung besar yang mengandung synchrotron, saya menemukan mereka sama-sama membantu untuk upaya putus asa untuk bangun dengan berolahraga.

Ketika saya naik, saya berpikir tentang kristal yang terpasang di giroskop. Saya telah menghabiskan waktu berbulan-bulan untuk mensintesisnya, dan segera saya akan memiliki gambarnya. Dengan gambar itu, saya akan mendapatkan pemahaman apakah modifikasi yang saya buat padanya, yang membuatnya sedikit berbeda dari bahan lain yang saya buat di masa lalu, telah memperbaikinya sama sekali. Jika saya melihat bukti pengepakan yang lebih baik atau peningkatan interaksi antar molekul, itu bisa berarti molekul tersebut adalah kandidat yang baik untuk pengujian dalam perangkat elektronik.

Lelah, tetapi senang karena saya mengumpulkan data yang berguna, saya perlahan-lahan mengayuh loop, mencatat bahwa synchrotron sangat diminati. Ketika balok berjalan, itu digunakan 24/7, itulah sebabnya saya bekerja sepanjang malam. Saya beruntung mendapatkan slot waktu sama sekali. Di stasiun lain, peneliti lain seperti saya bekerja sampai larut malam.

Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Kerry Rippy. Baca artikel asli di sini.