TRICICLO ELECTRICO DE PASEO ??
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Son las 4 de la madrugada y he estado despierto por aproximadamente 20 horas seguidas. Una alarma fuerte suena a todo volumen, acompañada por luces estroboscópicas rojas parpadeando. Una voz severa anuncia: "Buscando en la estación B. Salga inmediatamente". Se siente como una emergencia, pero no lo es. De hecho, la alarma ya se ha disparado 60 o 70 veces hoy. Es una advertencia, ya que todos los que se encuentran cerca saben 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 vaporización de nitrógeno líquido.
En el centro de esta sala, que se llama estación B, he colocado un cristal no más grueso que un cabello humano en la punta de una pequeña fibra de vidrio. He preparado docenas de estos cristales y estoy intentando analizarlos todos.
Estos cristales están hechos de materiales semiconductores orgánicos, que se utilizan para hacer chips de computadora, luces LED, pantallas de teléfonos inteligentes y paneles solares. Quiero saber exactamente 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 instrumento científico masivo que contiene un bucle de electrones de un kilómetro de largo que se aproxima a la velocidad 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 diminutos en la punta de la fibra de vidrio. Utilizo una aguja para juntar un montón de ellos en un portaobjetos de vidrio y colocarlos bajo un microscopio. Los cristales son hermosos, coloridos y facetados como pequeñas gemas. A menudo me encuentro paralizado, mirando fijamente con los ojos privados de sueño al microscopio, y reenfoco mi mirada antes de persuadir con esmero uno de ellos sobre la punta de una fibra de vidrio.
Una vez que tengo el cristal unido a la fibra, comienzo la tarea a menudo frustrante de centrar el cristal en la punta de un giroscopio dentro de la estación B. Este dispositivo girará el cristal, lenta y continuamente, permitiéndome obtener X Ray imágenes de ella desde todos los lados.
A medida que gira, se utiliza vapor de nitrógeno líquido para enfriarlo: incluso a temperatura ambiente, los átomos vibran de un lado a otro, lo que dificulta obtener imágenes claras de ellos. Al enfriar el cristal a menos 196 grados Celsius, la temperatura del nitrógeno líquido hace que los átomos dejen de moverse tanto.
Fotografia de rayos x
Una vez que tengo el cristal centrado y enfriado, cierro la estación B y, desde un centro de control de computadora que se encuentra fuera, bombeo la muestra con rayos X. La imagen resultante, llamada patrón de difracción, se muestra como puntos brillantes en un fondo naranja.
Lo que estoy haciendo no es muy diferente de 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. Pero no puedo usar la 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, por lo que difractan o rebotan en los átomos.
Sin embargo, a diferencia de una cámara, los rayos X difractados no se pueden enfocar con una lente simple. En lugar de una imagen parecida a una fotografía, los datos que recolecto son un patrón desenfocado de dónde se fueron los rayos X después de rebotar en los átomos de mi cristal. Un conjunto completo de datos sobre un cristal está formado por estas imágenes tomadas desde todos los ángulos alrededor del cristal a medida que el giroscopio lo hace girar.
Matemáticas avanzadas
Mi colega, Nicholas DeWeerd, se sienta cerca, analizando los conjuntos de datos que ya he recopilado.Se las arregló para ignorar las alarmas y las luces parpadeantes durante horas, mirando las imágenes de difracción en su pantalla para, en efecto, convertir las imágenes de rayos X de todos los lados del cristal en una imagen de los átomos dentro del mismo cristal.
En años pasados, este proceso podría haber tomado años de cálculos cuidadosos hechos a mano, pero ahora usa el modelado por computadora para juntar todas las piezas. Él es el experto no oficial de nuestro grupo de investigación en esta parte del rompecabezas, y le encanta. "¡Es como la Navidad!" Lo escucho murmurar, mientras él hojea imágenes centelleantes de patrones de difracción.
Sonrío ante el entusiasmo que logró mantener tan tarde en la noche, mientras enciendo el sincrotrón para obtener mis imágenes del cristal 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 esto se debe a que cada cristal está formado por lotes de cristales incluso más pequeños pegados entre sí, o cristales que contienen demasiadas impurezas para formar un patrón cristalino repetitivo que podemos resolver matemáticamente.
Si este no entrega imágenes claras, tendré que volver a empezar y configurar otro. Afortunadamente, en este caso, las primeras imágenes que aparecen muestran puntos de difracción claros y claros. Sonrío y me siento para recoger el resto del conjunto de datos. Ahora que el giroscopio gira y el rayo de rayos X dispara la muestra, tengo unos minutos para relajarme.
Tomaría un poco de café para estar alerta, pero mis manos ya tiemblan debido a la sobrecarga de cafeína. En su lugar, llamo a Nick: "Voy a tomar una vuelta". Me acerco a un grupo de triciclos que están cerca. Normalmente se usa solo para sortear el gran edificio que contiene el sincrotrón, los encuentro igualmente útiles para un intento desesperado de despertarme con algo de ejercicio.
Mientras viajo, pienso en el cristal montado en el giroscopio. He pasado meses sintetizándolo y pronto tendré una imagen de él. Con la imagen, entenderé si las modificaciones que le hice, que lo hacen ligeramente diferente a otros materiales que he hecho en el pasado, lo han 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 pruebas en dispositivos electrónicos.
Agotado, pero feliz porque estoy recopilando datos útiles, pedaleo lentamente alrededor del bucle, notando que el sincrotrón tiene una gran demanda. Cuando la línea de luz se está ejecutando, se utiliza 24/7, por lo que estoy trabajando toda la noche. Tuve la suerte de conseguir un espacio de tiempo en absoluto. En otras estaciones, otros investigadores como yo están trabajando hasta altas horas de la noche.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Kerry Rippy. Lee el artículo original aquí.
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