Magiczna sztuczka naukowa

Aby wykonać pierwsze promieniowanie rentgenowskie, instrument CXLS został włączony, aby dostarczyć energię fotonów około 4 keV. Pierwszy krok odbywa się w fotoiniektorze źródła światła. Tam impulsy lasera UV są przykładane do miedzianej powierzchni – z szybkością 1000 impulsów na sekundę – każdy uwalnia wiązkę elektronów w próżni, które są następnie przyspieszane w silnym polu elektrycznym. Następnie wiązki elektronów są napędzane przez akcelerator liniowy do prędkości bliskiej prędkości światła i przemieszczają się przez szereg magnesów, które kierują i skupiają wiązkę w komorze interakcji.

W ostatnim kroku laser na podczerwień jest wystrzeliwany prawie prosto na ścieżkę nadlatujących elektronów. Powoduje to emisję silnego promieniowania rentgenowskiego w procesie znanym jako odwrotne rozpraszanie Comptona, w którym laser jest kluczem do kompaktowych rozmiarów obiektu. Silne pola magnetyczne kierują elektrony do pochłaniacza. Emitowane promienie rentgenowskie są wysyłane w dół, aby oddziaływać z badaną próbką, taką jak białka lub inne cząsteczki (przy pierwszej demonstracji rentgenowskiej ten krok został pominięty).

Eksperyment przeprowadzono i potwierdzono wykrywając emisję światła z ekranu scyntylatora YAG. Naukowcy obserwowali i monitorowali aktywność wiązki i potwierdzili generowanie promieni rentgenowskich w swoich analizach danych.

„Intrygują mnie innowacje techniczne, które znacznie zmniejszają rozmiar i koszt tych maszyn” — powiedział Graves. „Włączenie tego nowatorskiego źródła światła stanowi zwieńczenie dekady prac przygotowawczych, od teorii, przez projekt, po budowę, przy jednoczesnym pokonywaniu przeszkód, takich jak opóźnienia w łańcuchu dostaw i inne zakłócenia spowodowane światową pandemią”.

Zrealizowanie tego nowatorskiego instrumentu wymagało szeroko zakrojonych wysiłków inżynieryjnych, kierowanych przez głównego inżyniera projektu i zastępcę dyrektora Marka Holl. W ASU zespół współpracował z rdzeniem projektowania i wytwarzania przyrządów ASU w precyzyjnym wytwarzaniu tysięcy części składowych wymaganych do ostatecznego montażu linii badawczej i przyrządów.

„CXLS będzie dobrodziejstwem dla szerokiego grona naukowców obdarzonych wyobraźnią, pracujących nad odkryciem tajemnic biologii, chemii i fizyki. Jesteśmy bardzo podekscytowani osiągnięciem tego ważnego kamienia milowego i nie możemy się doczekać rozpoczęcia eksperymentalnej ery nauki o kompaktowych akceleratorach rentgenowskich” – powiedział Graves.

Pobierz pełny plik PDF

Rozpoczyna się nowa era

CXLS jest teraz przygotowywany do pierwszej serii eksperymentów. W tym celu naukowcy z ASU zbudowali zaawansowaną konfigurację eksperymentalną do krystalografii rentgenowskiej. Impulsy rentgenowskie przemieszczają się wzdłuż „linii wiązki” przez osłonięte ołowiem wycięte okno od źródła do sąsiedniego pomieszczenia dla użytkowników i do komory eksperymentu naukowego.

Konfiguracja zapewnia precyzyjne pozycjonowanie i wstrzykiwanie próbek w nanoskali, a także 4-megapikselowy detektor rentgenowski o wysokiej rozdzielczości, który może uchwycić każde zdjęcie rentgenowskie. Co więcej, przestrajalny laser wzbudzający — finansowany z grantu MRI National Science Foundation — zapewnia dopasowane fotowzbudzanie do badań rozdzielczych w czasie.

Wśród naukowców chętnych do rozpoczęcia pierwszych eksperymentów jest Petra Fromme z ASU, czołowa ekspertka w zrozumieniu, jak działają procesy życiowe na poziomie molekularnym.

Fromme, wraz ze swoim nieżyjącym już kolegą z ASU, Johnem Spence’em, oraz Henry’m Chapmanem z niemieckiego centrum synchrotronu elektronowego DESY w Hamburgu, wspólnie opracowali podstawowe metody seryjnej krystalografii femtosekundowej stosowane w dzisiejszych dużych XFEL na całym świecie.

„Od początku było jasne, że będzie to pierwszy instrument tego rodzaju na świecie” — powiedział Fromme. „Bez ogromnego zaangażowania prezydenta Crowa w budynek Biodesign C i początkowego finansowania w wysokości 9 milionów dolarów, nigdy nie uruchomilibyśmy programu. A potem w samolocie spotkałem (nieżyjącego już) Leo Beusa, nie wiedząc, kim jest. On i jego żona Annette przekazali darowiznę w wysokości 10 milionów dolarów na rzecz CXFEL Labs”.

Fromme planuje zastosować CXLS do zbadania najbardziej podstawowych etapów, w jaki rośliny przekształcają światło słoneczne w energię podczas fotosyntezy, spostrzeżenia, które mogą pomóc w tworzeniu sztucznych fotosystemów w celu bardziej wydajnej i odnawialnej konwersji energii.

„Moją prawdziwą motywacją jest nadal święty Graal fotosyntezy, którego rdzeń nie został rozwiązany” – powiedział Fromme. „W jaki sposób rośliny dzielą wodę na tlen, protony i elektrony za pomocą światła widzialnego i metali występujących na Ziemi? Kiedy odkryjemy, w jaki sposób rośliny to robią, będziemy mogli zbudować systemy, które są tak wydajne jak natura i równie stabilne jak systemy sztuczne”.

Już teraz nowy instrument służył jako latarnia morska w rekrutacji nowych naukowców do ASU, takich jak adiunkt Wydziału Fizyki Sam Teitelbaum.

„Moje badania wykorzystują lasery na swobodnych elektronach, lasery stołowe i synchrotrony, aby zrozumieć, jak przekształcają się materiały” – powiedział Teitelbaum. „Korzystając z nowego kompaktowego źródła promieniowania rentgenowskiego, możemy wiele dowiedzieć się o właściwościach materii, obserwując ją w bardzo szybkich skalach czasowych, w których działają poszczególne cząsteczki”.

Poszerzenie dostępu do zaawansowanej nauki rentgenowskiej

Instrument ASU będzie służył szerszej społeczności badawczej. Jedną z głównych korzyści instrumentu CXLS dla narodu jest rozszerzenie dostępu do – w istocie „demokratyzacji” – nauki o ultrakrótkich promieniach rentgenowskich, tak aby inne uniwersytety lub laboratoria mogły korzystać z obiektu ASU lub opracować podobną technologię. Ten zwiększony dostęp pomoże przyspieszyć i rozwinąć krytyczne obszary nauki oraz poszerzyć bazę użytkowników dla dużych XFEL.

CXLS będzie dostępny, aby służyć naukowcom z całych Stanów Zjednoczonych, być poligonem szkoleniowym dla studentów ASU i przyciągać międzynarodowych naukowców. Razem, to następne pokolenie naukowców zajmujących się promieniowaniem rentgenowskim może zwielokrotnić odkrycia naukowe i badanie struktur i dynamiki wewnętrznych organizmów żywych, cząsteczek i materiałów.

„Najbardziej intryguje mnie to, co leży na skraju naszej wiedzy, czyli poszukiwanie zjawisk, których nigdy wcześniej nie obserwowano” — powiedział Kaindl. „Teraz mamy do tego wszelkie środki. Wraz z zakończeniem rozruchu kompaktowego źródła światła rentgenowskiego, skupimy się na wczesnych eksperymentach z jego ultrakrótkimi promieniami rentgenowskimi i przejściu do obiektu użytkownika”.

Pierwszy zestaw eksperymentów ma rozpocząć się w 2023 roku.

Wideo nowej wizji rentgenowskiej: Arizona State University (ASU)

Wideo autorstwa Kena Fagana / ASU News

Górne zdjęcie: Adiunkt Wydziału Fizyki ASU Samuel Teitelbaum stoi przed nowo oddanym do użytku, pierwszym w swoim rodzaju instrumentem, który pomoże naukowcom zajrzeć głębiej w materię i żywe istoty. Urządzenie, zwane kompaktowym źródłem światła rentgenowskiego (CXLS), było kamieniem milowym w jego działaniu, ponieważ naukowcy z ASU wygenerowali pierwsze promieniowanie rentgenowskie w nocy 2 lutego. Zdjęcie: Andy DeLisle/ASU.