Son las 4 a.m. y he estado despierto durante unas 20 horas seguidas. Una fuerte alarma está sonando acompañado de luces estroboscópicas rojas parpadeando. Una voz severa anuncia, "Buscando emisora ​​B. Salir inmediatamente". Se siente como una emergencia pero no lo es. De hecho, la alarma ya ha sonado 60 o 70 veces hoy. Es una advertencia hacerles saber a todos en los alrededores que estoy a punto de disparar un haz de rayos X de alta potencia en una pequeña habitación llena de equipos electrónicos y columnas de nitrógeno líquido en fase de vaporización.

En el centro de esta habitación que se llama estación B, He colocado un cristal no más grueso que un cabello humano en la punta de una diminuta fibra de vidrio. He preparado decenas de estos cristales, y estoy intentando analizarlos todos.

Estos cristales están hechos de materiales semiconductores orgánicos, que se utilizan para fabricar chips de computadora, Luces led, pantallas de teléfonos inteligentes y paneles solares. Quiero saber con precisión dónde se encuentra cada átomo dentro de los cristales, cuán densamente empaquetados están y cómo interactúan entre sí. Esta información me ayudará a predecir qué tan bien fluirá la electricidad a través de ellos.

Para ver estos átomos y determinar su estructura, Necesito la ayuda de un sincrotrón que es un enorme instrumento científico que contiene un bucle de electrones de un kilómetro de largo que se desplaza a una velocidad cercana a la de la luz. También necesito un microscopio, un giroscopio, nitrógeno líquido, un poco de suerte, un colega talentoso y un triciclo.

Poner el cristal en su lugar

El primer paso de este experimento consiste en colocar los cristales súper pequeños en la punta de la fibra de vidrio. Utilizo una aguja para juntar un montón de ellos en un portaobjetos de vidrio y los puse bajo un microscopio. Los cristales son hermosos, coloridos y facetados como pequeñas piedras preciosas. A menudo me encuentro paralizado mirando al microscopio con ojos privados de sueño, y reenfocar mi mirada antes de engatusar minuciosamente a uno hacia la punta de una fibra de vidrio.

Una vez que haya conectado el cristal a la fibra, Empiezo la tarea, a menudo frustrante, de centrar el cristal en la punta de un giroscopio dentro de la estación B. Este dispositivo hará girar el cristal, lenta y continuamente, permitiéndome obtener imágenes de rayos X desde todos los lados.

Mientras gira Se utiliza vapor de nitrógeno líquido para enfriarlo:Incluso a temperatura ambiente, los átomos vibran hacia adelante y hacia atrás, lo que dificulta la obtención de imágenes claras de ellos. Enfriando el cristal a menos 196 grados Celsius, la temperatura del nitrógeno líquido, hace que los átomos dejen de moverse tanto.

Fotografía de rayos X

Una vez que tenga el cristal centrado y enfriado, Cierro la estación B, y desde un centro de control de computadora fuera de él, explosión de la muestra con rayos X. La imagen resultante, llamado patrón de difracción, se muestra como puntos brillantes sobre un fondo naranja.

Lo que estoy haciendo no es muy diferente a tomar fotografías con una cámara y un flash. Estoy a punto de enviar rayos de luz a un objeto y registrar cómo la luz rebota en él. Pero no puedo usar luz visible para fotografiar átomos, son demasiado pequeños, y las longitudes de onda de la luz en la parte visible del espectro son demasiado grandes. Los rayos X tienen longitudes de onda más cortas, para que se difracten, o rebotar en los átomos.

Sin embargo, a diferencia de una cámara, Los rayos X difractados no se pueden enfocar con una simple lente. En lugar de una imagen similar a una fotografía, los datos que recopilo son un patrón desenfocado de dónde fueron los rayos X después de que rebotaron en los átomos de mi cristal. Un conjunto completo de datos sobre un cristal se compone de estas imágenes tomadas desde todos los ángulos alrededor del cristal mientras el giroscopio lo hace girar.

Matemáticas avanzadas

Mi colega, Nicholas DeWeerd, se sienta cerca, analizar conjuntos de datos que ya he recopilado. Ha logrado ignorar las alarmas a todo volumen y las luces intermitentes durante horas, mirando las imágenes de difracción en su pantalla para, en efecto, Convierta las imágenes de rayos X de todos los lados del cristal en una imagen de los átomos dentro del cristal.

En años pasados, este proceso podría haber llevado años de cuidadosos cálculos hechos a mano, pero ahora usa modelos por computadora para unir todas las piezas. Él es el experto no oficial de nuestro grupo de investigación en esta parte del rompecabezas, y le encanta. "¡Es como Navidad!" Lo escucho murmurar, mientras hojea imágenes centelleantes de patrones de difracción.

Sonrío ante el entusiasmo que ha logrado mantener hasta altas horas de la noche, mientras enciendo el sincrotrón para obtener mis imágenes del cristal posado en la estación B. Aguanto la respiración mientras los patrones de difracción de los primeros ángulos aparecen en la pantalla. No todos los cristales difractan, incluso si he configurado todo perfectamente. A menudo, eso se debe a que cada cristal está formado por muchos cristales aún más pequeños pegados entre sí, o cristales que contienen demasiadas impurezas para formar un patrón cristalino repetitivo que podemos resolver matemáticamente.

Si este no ofrece imágenes claras, Tendré que empezar de nuevo y configurar otro. Afortunadamente, en este caso, las primeras imágenes que aparecen se muestran brillantes, puntos de difracción claros. Sonrío y me siento para recopilar el resto del conjunto de datos. Ahora, mientras el giroscopio gira y el haz de rayos X dispara la muestra, Tengo unos minutos para relajarme.

Bebería un café para estar alerta pero ya me tiemblan las manos por la sobrecarga de cafeína. En lugar de, Llamo a Nick:"Voy a dar una vuelta". Me acerco a un grupo de triciclos que hay cerca. Normalmente se usa solo para moverse por el gran edificio que contiene el sincrotrón, Los encuentro igualmente útiles para un intento desesperado de despertar con algo de ejercicio.

Mientras viajo Pienso en el cristal montado en el giroscopio. Llevo meses sintetizándolo y pronto tendré una foto de ella. Con la foto Comprenderé si las modificaciones que le hice, que lo hacen ligeramente diferente a otros materiales que he hecho en el pasado, lo he mejorado en absoluto. Si veo evidencia de un mejor empaquetamiento o un aumento de las interacciones intermoleculares, eso podría significar que la molécula es un buen candidato para ser probado en dispositivos electrónicos.

Exhausto, pero feliz porque estoy recopilando datos útiles Pedaleo lentamente alrededor del bucle señalando que el sincrotrón tiene una gran demanda. Cuando la línea de luz se está ejecutando, se utiliza 24 horas al día, 7 días a la semana, por eso estoy trabajando toda la noche. Tuve la suerte de tener una franja horaria. En otras estaciones, otros investigadores como yo estamos trabajando hasta altas horas de la noche.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.