São 4 da manhã, e estou acordado há cerca de 20 horas direto. Um alarme alto está tocando, acompanhado por luzes estroboscópicas vermelhas piscando. Uma voz severa anuncia, "Procurando estação B. Saia imediatamente." Parece uma emergência, Mas isso não. Na verdade, o alarme já disparou 60 ou 70 vezes hoje. É um aviso, avisando a todos na vizinhança que estou prestes a lançar um feixe de raios-X de alta potência em uma pequena sala cheia de equipamentos eletrônicos e nuvens de nitrogênio líquido em vaporização.

No centro desta sala, que é chamada de estação B, Coloquei um cristal não mais grosso do que um fio de cabelo humano na ponta de uma minúscula fibra de vidro. Eu preparei dezenas desses cristais, e estou tentando analisar todos eles.

Esses cristais são feitos de materiais semicondutores orgânicos, que são usados ​​para fazer chips de computador, Luzes LED, telas de smartphones e painéis solares. Eu quero descobrir precisamente onde cada átomo dentro dos cristais está localizado, quão densamente eles são e como eles interagem uns com os outros. Essa informação me ajudará a prever quão bem a eletricidade fluirá por eles.

Para ver esses átomos e determinar sua estrutura, Preciso da ajuda de um síncrotron, que é um enorme instrumento científico contendo um loop de elétrons de um quilômetro de extensão girando próximo à velocidade da luz. Eu também preciso de um microscópio, um giroscópio, nitrogenio liquido, um pouco de sorte, um colega talentoso e um triciclo.

Colocando o cristal no lugar

A primeira etapa desse experimento envolve a colocação de cristais superminúsculos na ponta da fibra de vidro. Eu uso uma agulha para raspar uma pilha deles em uma lâmina de vidro e colocá-los sob um microscópio. Os cristais são lindos - coloridos e facetados como pequenas pedras preciosas. Muitas vezes fico paralisado, olhando com olhos privados de sono para o microscópio, e reorientando meu olhar antes de persuadir meticulosamente um na ponta de uma fibra de vidro.

Depois de conectar o cristal à fibra, Eu começo a tarefa muitas vezes frustrante de centralizar o cristal na ponta de um giroscópio dentro da estação B. Este dispositivo irá girar o cristal, lenta e continuamente, permitindo-me obter imagens de raios-X de todos os lados.

À medida que gira, vapor de nitrogênio líquido é usado para resfriá-lo:Mesmo em temperatura ambiente, átomos vibram para frente e para trás, tornando difícil obter imagens nítidas deles. Resfriando o cristal a menos 196 graus Celsius, a temperatura do nitrogênio líquido, faz com que os átomos parem de se mover tanto.

Fotografia de raio x

Assim que tiver o cristal centralizado e resfriado, Eu fecho a estação B, e de um hub de controle de computador fora dele, explodir a amostra com raios-X. A imagem resultante, chamado de padrão de difração, é exibido como pontos brilhantes em um fundo laranja.

O que estou fazendo não é muito diferente de tirar fotos com uma câmera e um flash. Estou prestes a enviar raios de luz a um objeto e registrar como a luz reflete nele. Mas não posso usar luz visível para fotografar átomos - eles são muito pequenos, e os comprimentos de onda da luz na parte visível do espectro são muito grandes. Os raios X têm comprimentos de onda mais curtos, então eles vão difratar, ou rebatam átomos.

Contudo, ao contrário de uma câmera, raios X difratados não podem ser focados com uma lente simples. Em vez de uma imagem semelhante a uma fotografia, os dados que coleto são um padrão fora de foco de para onde os raios X foram depois de ricochetear nos átomos em meu cristal. Um conjunto completo de dados sobre um cristal é feito dessas imagens tiradas de todos os ângulos ao redor do cristal enquanto o giroscópio o gira.

Matemática avançada

Meu colega, Nicholas DeWeerd, senta-se perto, analisando conjuntos de dados que já coletei. Ele conseguiu ignorar os alarmes estridentes e as luzes piscando por horas, olhando para imagens de difração em sua tela para, na verdade, Transforme as imagens de raios-X de todos os lados do cristal em uma imagem dos átomos dentro do próprio cristal.

Nos últimos anos, este processo pode ter levado anos de cálculos cuidadosos feitos à mão, mas agora ele usa modelagem por computador para colocar todas as peças juntas. Ele é o especialista não oficial do nosso grupo de pesquisa nesta parte do quebra-cabeça, e ele adora. "É como o Natal!" Eu o ouço murmurar, enquanto ele folheia imagens cintilantes de padrões de difração.

Eu sorrio com o entusiasmo que ele conseguiu manter até tarde da noite, enquanto eu ligo o síncrotron para obter minhas fotos do cristal empoleirado na estação B. Prendo a respiração quando os padrões de difração dos primeiros ângulos aparecem na tela. Nem todos os cristais difratam, mesmo que eu tenha configurado tudo perfeitamente. Freqüentemente, isso acontece porque cada cristal é feito de muitos cristais ainda menores grudados, ou cristais contendo muitas impurezas para formar um padrão cristalino repetido que podemos resolver matematicamente.

Se este não entregar imagens claras, Vou ter que começar de novo e configurar outro. Felizmente, nesse caso, as primeiras imagens que aparecem mostram brilhantes, pontos de difração claros. Eu sorrio e me sento para coletar o resto do conjunto de dados. Agora, enquanto o giroscópio gira e o feixe de raios-X explode a amostra, Tenho alguns minutos para relaxar.

Eu beberia um pouco de café para ficar alerta, mas minhas mãos já estão tremendo com a sobrecarga de cafeína. Em vez de, Grito para Nick:"Vou dar uma volta." Aproximo-me de um grupo de triciclos sentados nas proximidades. Normalmente usado apenas para contornar o grande edifício que contém o síncrotron, Eu os considero igualmente úteis para uma tentativa desesperada de acordar com algum exercício.

Enquanto eu cavalgo, Penso no cristal montado no giroscópio. Passei meses sintetizando-o, e logo terei uma foto dele. Com a foto, Vou entender se as modificações que fiz nele, o que o torna um pouco diferente de outros materiais que fiz no passado, melhorou em tudo. Se eu vir evidências de um melhor empacotamento ou aumento das interações intermoleculares, isso pode significar que a molécula é uma boa candidata para testes em dispositivos eletrônicos.

Exausta, mas feliz porque estou coletando dados úteis, Eu pedalo lentamente ao redor do loop, observando que o síncrotron está em alta demanda. Quando a linha de luz está funcionando, é usado 24 horas por dia, 7 dias por semana, É por isso que estou trabalhando a noite toda. Tive a sorte de conseguir um horário. Em outras estações, outros pesquisadores como eu estão trabalhando até tarde da noite.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.