Ako fungujú synchrotróny – najjasnejšie svetlo na svete

Čo je to synchrotrón?

Synchrotrónový zdroj svetla je rozsiahly stroj v tvare prstenca, ktorý urýchľuje elektróny takmer na rýchlosť svetla a získava intenzívne žiarenie, ktoré elektróny vyžarujú, keď sú nútené zmeniť smer. Výsledkom je mimoriadne jasný lúč röntgenového žiarenia – miliárdkrát jasnejší ako slnko – ktorý vedci zameriavajú na všetko od starovekých fosílií až po experimentálne lieky.

Po celom svete funguje alebo je vo výstavbe viac ako 50 synchrotrónových zariadení, od Európskeho synchrotrónového radiačného zariadenia (ESRF) v Grenobli vo Francúzsku, po Diamond Light Source v Oxfordshire v Anglicku a Austrálsky synchrotrón neďaleko Melbourne. Slúžia desiatkam tisíc výskumníkov každý rok.

Ako stroj funguje

Proces začína elektrónovým delom, ktoré vystreľuje prúd elektrónov do lineárneho urýchľovača. Tu sú častice urýchlené takmer na rýchlosť svetla – typicky 99,9997 percent c. Menší urýchľovací prstenec ďalej zvyšuje ich energiu, často z približne 100 MeV na 3 000 MeV za menej ako sekundu.

Elektróny potom vstupujú do akumulačného prstenca, vákuovej trubice v tvare polygónu, ktorá môže mať obvod stoviek metrov. Silné ohýbacie magnety riadia elektróny okolo kriviek prstenca. Zakaždým, keď častice zmenia smer, uvoľňujú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia – synchrotrónového svetla.

Na zintenzívnenie lúča mnohé zariadenia vkladajú do rovných úsekov prstenca zariadenia nazývané undulátory alebo wigglery. Tieto polia striedavých magnetov nútia elektróny rýchlo oscilovať, čím produkujú ešte jasnejšie a viac zaostrené röntgenové žiarenie. Svetlo je vedené desiatkami lúčových liniek – jednotlivých experimentálnych staníc, ktoré vyžarujú smerom von z prstenca ako lúče z kolesa.

Prečo je synchrotrónové svetlo výnimočné

Bežné röntgenové prístroje produkujú široký, relatívne slabý lúč. Synchrotrón naopak poskytuje svetlo, ktoré je:

• Extrémne jasné – až 10 miliárdkrát intenzívnejšie ako konvenčné zdroje
• Vysoko zaostrené – lúče sa dajú zúžiť na menej ako mikrometer
• Nastaviteľné – vedci si môžu vybrať presné vlnové dĺžky, od infračerveného cez ultrafialové až po tvrdé röntgenové žiarenie
• Pulzné – lúč prichádza v ultrarýchlych zábleskoch, čo umožňuje experimenty s časovým rozlíšením, ktoré zachytávajú chemické reakcie v reálnom čase

Tieto vlastnosti umožňujú výskumníkom vidieť štruktúry a procesy, ktoré sú neviditeľné pre akýkoľvek iný prístroj.

Čo synchrotróny odhalili

Medicína a dizajn liekov

Synchrotrónová röntgenová kryštalografia bola nevyhnutná na zmapovanie štruktúry spike proteínu vírusu SARS-CoV-2, čím sa urýchlil vývoj vakcín a antivirotík proti COVID-19. Táto technika bežne pomáha farmaceutickým spoločnostiam vizualizovať, ako sa molekuly liečiv viažu na ciele ochorenia na atómovej úrovni.

Paleontológia

Fázovo-kontrastná mikrotomografia v synchrotrónových zariadeniach odhalila mäkké tkanivá vo vnútri 300 miliónov rokov starých fosílií, odhalila kosti embryí vo vnútri 125 miliónov rokov starých vajec jašteríc a prečítala neviditeľný atrament na starovekých pergamenoch. Nedávna štúdia použila synchrotrónové zobrazovanie na preklasifikovanie „najstaršej fosílie chobotnice“ na svete ako príbuzného lodienky, čím sa vyriešila desaťročia stará evolučná hádanka.

Materiálové inžinierstvo

Inžinieri používajú synchrotrónové lúče na sledovanie šírenia trhlín spôsobených napätím cez lopatky turbín prúdových motorov, študujú elektródy batérií počas nabíjania a vybíjania a mapujú chemické zloženie solárnych článkov novej generácie – a to všetko bez zničenia vzorky.

Nová generácia

Synchrotróny štvrtej generácie, ako napríklad modernizovaný ESRF-EBS v Grenobli a brazílske zariadenie Sirius, používajú dizajn mriežky multi-bend achromat, ktorý stláča elektrónový lúč do ešte tenšieho pásu. Výsledkom je svetlo až 100-krát jasnejšie ako predchádzajúce stroje, čo otvára dvere zobrazovaniu jednotlivých molekúl a sledovaniu chemických reakcií v časovom meradle femtosekúnd.

Pokiaľ vedci potrebujú vidieť neviditeľné – či už vo vnútri živej bunky, meteoritu alebo starovekého rukopisu – synchrotróny zostanú jedným z najvýkonnejších nástrojov vo výskumnom arzenáli.