Jak fungují synchrotrony – nejjasnější světlo na světě

Co je to synchrotron?

Synchrotronový zdroj světla je obrovský stroj ve tvaru prstence, který urychluje elektrony téměř na rychlost světla a získává intenzivní záření, které elektrony vyzařují, když jsou nuceny změnit směr. Výsledkem je mimořádně jasný svazek rentgenového záření – miliardkrát jasnější než slunce – který vědci zaměřují na všechno od starověkých fosilií po experimentální léky.

Více než 50 synchrotronových zařízení je v provozu nebo ve výstavbě po celém světě, od European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) v Grenoblu ve Francii, po Diamond Light Source v Oxfordshire v Anglii a Australian Synchrotron poblíž Melbourne. Slouží desítkám tisíc výzkumníků každý rok.

Jak stroj funguje

Proces začíná elektronovým dělem, které vystřeluje proud elektronů do lineárního urychlovače. Zde jsou částice urychleny téměř na rychlost světla – typicky na 99,9997 procent c. Menší boosterový prstenec dále zvyšuje jejich energii, často z přibližně 100 MeV na 3 000 MeV za méně než sekundu.

Elektrony pak vstoupí do akumulačního prstence, polygonové vakuové trubice, která může mít obvod až stovky metrů. Silné ohýbací magnety řídí elektrony kolem křivek prstence. Pokaždé, když částice změní směr, uvolňují energii ve formě elektromagnetického záření – synchrotronového světla.

Pro zesílení svazku mnoho zařízení vkládá do rovných úseků prstence zařízení zvaná undulátory nebo wigglery. Tato pole střídavých magnetů nutí elektrony rychle oscilovat, čímž produkují ještě jasnější a více zaostřené rentgenové záření. Světlo je vedeno dolů desítkami svazkových linek – jednotlivých experimentálních stanic vyzařujících ven z prstence jako paprsky z kola.

Proč je synchrotronové světlo výjimečné

Běžné rentgenové přístroje produkují široký, relativně slabý svazek. Synchrotron naopak poskytuje světlo, které je:

• Extrémně jasné – až 10 miliardkrát intenzivnější než konvenční zdroje
• Vysoce zaostřené – svazky lze zúžit na méně než mikrometr
• Laditelné – vědci si mohou vybrat přesné vlnové délky, od infračerveného přes ultrafialové až po tvrdé rentgenové záření
• Pulzní – svazek přichází v ultrakrátkých dávkách, což umožňuje časově rozlišené experimenty, které zachycují chemické reakce v reálném čase

Tyto vlastnosti umožňují výzkumníkům vidět struktury a procesy, které jsou neviditelné pro jakýkoli jiný nástroj.

Co synchrotrony odhalily

Medicína a návrh léků

Synchrotronová rentgenová krystalografie byla zásadní pro zmapování struktury spike proteinu viru SARS-CoV-2, což urychlilo vývoj vakcín a antivirotik proti COVID-19. Tato technika běžně pomáhá farmaceutickým společnostem vizualizovat, jak se molekuly léků vážou na cíle onemocnění na atomární úrovni.

Paleontologie

Fázově kontrastní mikrotomografie v synchrotronových zařízeních odhalila měkké tkáně uvnitř 300 milionů let starých fosilií, objevila kosti embryí uvnitř 125 milionů let starých vajíček ještěrek a přečetla neviditelný inkoust na starověkých pergamenech. Nedávná studie použila synchrotronové zobrazování k reklasifikaci „nejstarší fosilie chobotnice“ na světě jako příbuzného loděnky, čímž vyřešila desetiletí starou evoluční hádanku.

Materiálové inženýrství

Inženýři používají synchrotronové svazky ke sledování šíření lomů v turbínových lopatkách proudových motorů, ke studiu elektrod baterií při nabíjení a vybíjení a k mapování chemického složení solárních článků nové generace – to vše bez zničení vzorku.

Nová generace

Synchrotrony čtvrté generace, jako je modernizovaný ESRF-EBS v Grenoblu a brazilské zařízení Sirius, používají design mřížky multi-bend achromat, který stlačuje elektronový svazek do ještě tenčího pásu. Výsledkem je světlo až 100krát jasnější než u předchozích strojů, což otevírá dveře zobrazování jednotlivých molekul a sledování chemických reakcí v řádu femtosekund.

Dokud budou vědci potřebovat vidět neviditelné – ať už uvnitř živé buňky, meteoritu nebo starověkého rukopisu – synchrotrony zůstanou jedním z nejmocnějších nástrojů ve výzkumném arzenálu.