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午前4時で、私は約20時間連続して起きています。大きなストロボが鳴り、赤いストロボが点滅している。 「Bを探しています。すぐに終了します。」という声が聞こえます。緊急のようですが、そうではありません。実際には、アラームはすでに今日で60〜70回鳴っています。電子機器と気化する液体窒素でいっぱいの小さな部屋に強力なX線ビームを当てようとしていることを近くの人に知らせるのは警告です。
ステーションBと呼ばれるこの部屋の中央に、私は小さなグラスファイバーの先端に人間の髪の毛よりも太くないクリスタルを置いています。私はこれらの結晶を数十個用意し、それらすべてを分析しようとしています。
これらの結晶は、コンピューターチップ、LEDライト、スマートフォンのスクリーン、ソーラーパネルなどに使われる有機半導体材料でできています。結晶内の各原子がどこにあるのか、それらがどれだけ密集しているのか、そしてそれらがどのように相互作用するのかを正確に知りたいのです。この情報は、電気がどれだけうまく流れるかを予測するのに役立ちます。
これらの原子を見てそれらの構造を決定するために、私は光の速度の近くでズームする電子のキロメートル長のループを含む大規模な科学的機器であるシンクロトロンの助けを必要とします。顕微鏡、ジャイロスコープ、液体窒素、ちょっとした運、才能のある同僚、そして三輪車も必要です。
結晶を所定の位置に配置する
この実験の最初のステップでは、ガラス繊維の先端に超微細結晶を配置します。私は針を使ってスライドガラスの上にそれらの山をこすり合わせて顕微鏡の下に置きます。クリスタルは美しく、カラフルで小さな宝石のように切り立っています。私はしばしば自分自身を混乱させ、眠りに陥った目を顕微鏡の中に見つめ、そして注意深く注視してからグラスファイバーの先端に向けて焦点を合わせる。
水晶振動子をファイバに取り付けたら、Bステーションの内側にあるジャイロスコープの先端に水晶振動子を集中させるという、いらだたしい作業を始めます。この装置は、水晶振動子をゆっくりと連続的に回転させます。四方からそれのレイ画像。
液体窒素の蒸気が回転すると、液体窒素の蒸気を冷却するために使用されます。室温でも、原子は前後に振動するため、それらの明確な画像を得ることは困難です。結晶をマイナス196℃（液体窒素の温度）まで冷却すると、原子はそれほど動かなくなります。
X線写真
クリスタルの中心を合わせて冷却したら、ステーションBを閉じ、その外側のコンピューターコントロールハブからX線でサンプルを爆破します。得られた画像は回折パターンと呼ばれ、オレンジ色の背景に明るいスポットとして表示されます。
私がやっていることは、カメラとフラッシュを使って写真を撮ることとそれほど変わらない。オブジェクトに光線を送り、光線がどのように反射するのかを記録しようとしています。しかし、私は可視光を使って原子を撮影することはできません - それらは小さすぎ、そしてスペクトルの可視部分の光の波長が大きすぎます。 X線はより短い波長を持っているので、それらは原子を回折させるか、または反射させます。
ただし、カメラとは異なり、単純なレンズではX線を集束させることはできません。写真のような画像ではなく、私が収集したデータは、X線が私の結晶の中の原子から反射した後にどこに向かったかの焦点の合っていないパターンです。 1つの水晶振動子に関するデータの完全なセットは、ジャイロスコープがそれを回転させるときに水晶の周りのあらゆる角度から撮影されたこれらの画像で構成されています。
高度な数学
私の同僚のNicholas DeWeerdが近くに座って、私が既に収集したデータセットを分析します。彼は画面上の回折像を見つめながら、ブレリングアラームと点滅光を何時間も無視して、事実上、結晶の全側面からのX線像を結晶自体の内部の原子の絵に変えることに成功しました。
過去数年で、このプロセスは手作業で行われた慎重な計算の年を取ったかもしれません、しかし今彼はすべての部分をまとめるためにコンピュータモデリングを使います。彼は、パズルのこの部分における私たちの研究グループの非公式専門家であり、それを愛しています。 「それはクリスマスのようですね！」彼が回っている回折パターンのイメージをめくっていくにつれて、私は彼がつぶやくのを聞いた。
私は彼が夜遅くまで維持することができた熱意に微笑みます、私が駅Bで止まる水晶の私の写真を得るために私がシンクロトロンを始動させるとき、私は最初のいくつかの角度からの回折パターンが画面に現れるので息を止めます。すべてを完璧に設定しても、すべての結晶が回折するわけではありません。多くの場合、それはそれぞれの結晶がたくさんのもっと小さな結晶がくっついたり、不純物を多く含んだ結晶が数学的に解決できる繰り返しの結晶パターンを形成することで構成されているからです。
これで鮮明な画像が得られない場合は、最初からやり直す必要があります。幸いなことに、この場合、ポップアップする最初の数枚の画像は明るく鮮明な回折スポットを示しています。私は笑顔で座って残りのデータセットを収集します。ジャイロスコープが回転し、X線ビームがサンプルを爆破するので、リラックスするのに数分かかります。
私は警戒するためにコーヒーを飲みますが、私の手はすでにカフェインの過負荷から揺れています。代わりに、私はニックに電話をかけます：「私は一周するつもりです」。私は近くに座っている三輪車のグループに歩いて行きます。通常はシンクロトロンを含む大きな建物を回避するためだけに使用されますが、ある程度の運動で目を覚ますための絶望的な試みにも同様に役立ちます。
私が乗るとき、私はジャイロスコープに取り付けられた水晶について考えます。私はそれを合成するのに何ヶ月も費やしました、そしてすぐに私はそれの写真を持っています。この絵で、私がこれまでに行った他の資料とは少し異なる変更を加えたことによって、それがまったく改善されたかどうかを理解できます。私がより良いパッキングまたは分子間相互作用の増加の証拠を見れば、それはその分子が電子デバイスでのテストのための良い候補であることを意味するかもしれません。
疲れましたが、私は有用なデータを収集しているので満足しています。シンクロトロンが需要が高いことに気づいて、私はゆっくりとループを一周します。ビームラインが稼働しているときは24時間365日使用されているので、私は夜中働いています。私はラッキーに時間枠を取得することができました。他の駅では、私のような他の研究者が夜遅くまで働いています。
この記事は、もともとKerry RippyによるThe Conversationに掲載されたものです。ここで元の記事を読んでください。