Одной из наиболее остро востребованных задач, которые стоят перед современной наукой, является поиск возможности наблюдать за подробной динамикой химических реакций во время их хода - то есть возможность наблюдать за происходящим в масштабе молекул, атомов и электронов. Временные промежутки должны ограничиваться пикосекундами или еще более короткими временными отрезками.
Снимок струи воды крупным планом (вертикальная линия ~ 0,2 мм), которая используется для генерации пикосекундных рентгеновских импульсов. Фото: Енс Улиг
Это сложная задача. Но, как сказано в описании амбициозного проекта NIST, начало которого датировано 2010 годом, "подобная технология имеет решающее значение для развития следующего поколения наноматериалов". Речь идет главным образом о промышленных катализаторах для устройств из сферы альтернативной энергетики, которые собирают солнечный свет, накапливают электричество, а также создают водород и другие виды топлива за счет расщепления воды или утилизации углекислого газа".
На днях группа исследователей, которые трудятся в рамках текущего проекта, разработала и продемонстрировала весьма необычный, компактный и относительно недорогой источник рентгеновского излучения для системы визуализации. Подобное устройство вскоре может быть использовано для получения своего рода "молекулярного кино", в котором так нуждаются ученые и инженеры.
"Я считаю, что мы сможем измерить межатомные расстояния с точностью на порядок меньше ангстрема [ангстрем - устаревшая единица длины, равная одной стомиллионной доле сантиметра (10-10 м); заменена на нанометр]", говорит Джоэль Уллом из группы по изучению квантовых устройств при отделе фотоники и квантовой электроники Лаборатории физических измерений NIST. Уллом также является главным исследователем совместного проекта и руководителем команды, которая создала миниатюрный источник рентгеновского излучения.
"Мы получим возможность наблюдать за происходящим в ходе химических реакций на атомном масштабе с пикосекундными интервалами", добавляет Уллом.
"Источник рентгеновского излучения является новой настольной системой, которая генерирует рентгеновские лучи с пикосекундными интервалами. Это Святой Грааль для ученых, которые пытаются максимально точно оценить движение электронов, атомов и молекул в режиме реального времени ", говорит Марла Доуелл, глава группы по изучению источников и детекторов при Лаборатории физических измерений NIST. "В конце концов, эта настольная система будет в состоянии на равных конкурировать с гораздо более дорогими и сложными методами на базе синхротронного эффекта".
Принцип действия новинки просто экстраординарный. Все начинается с импульса инфракрасного (ИК) лазерного луча, который разделен на две части. Первая часть используется для фотовозбужденния (возбуждения фотонами) изучаемого материала, что инициирует химическую реакцию. Вторая часть направляется в вакуумную камеру, над которой находится резервуар с водой. Резервуар имеет крошечное отверстие, ведущее к камере. Вода поступает в камеру струей шириной в 0,2 мм (см. рисунок выше), при этом лазерный луч фокусируется на потоке воды.
"Это раскаляет плазму на цели", говорит Уллом, "Некоторые электроны ускоряются за счет ионизации - в связи с очень большими электрическими полями от лазера – и попадают обратно в воду. Там они проходят такую же стадию резкого торможения, которую электроны проходят в обычной рентгеновской трубке. ИК-луч выдает очень мало энергии на фотон. Но в результате вышеописанного взаимодействия с целью получатся рентгеновские лучи с энергией в 10000 раз выше. Затем мы коллимируем (коллимировать - устанавливать параллельно) рентгеновский луч так, чтобы он поражал интересующий нас образец". Лучи проходят через образец, а затем попадают в отдельную криогенную камеру, где сверхпроводящие детекторы рентгеновского излучения фиксируют спектр поглощения. (См. рисунок внизу страницы).
"Таким образом, система содержит две разительно отличающиеся друг от друга среды: детекторы, работающие при температуре порядка милликельвина, и источник плазмы с температурой как на поверхности солнца", говорит Уллом. "При этом их разделяет расстояние лишь только около 15 см. Мы достигаем стабильности за счет установки многослойных блокирующих ИК-излучение фильтров в корпусе детектора. Они передают рентгеновские лучи, но при этом останавливают видимое и ИК-излучение".
Генерируемое источником рентгеновское излучение обладает широкой полосой пропускания (передающая среда, через которую может проходить широкий диапазон частот) с энергиями от нескольких сотен электрон-вольт (эВ) до примерно 15 или 20 кэВ. Ученый отмечает, что поддержание этого диапазона является очень важным моментом, потому что разные энергии рентгеновского излучения поглощается различными элементами с различными комбинациями орбитальных конфигураций и межатомных расстояний. Способность материала поглощать рентгеновские лучи очень зависит от химического состояния атома, и сигнал заметно влияет на "края" между различными наборами орбитальных переходов. Кроме того, рябь в спектре поглощения, вызванная интерференционными паттернами в волновой функции электронов, показывает расстояние от атома до его ближайшего соседа".
В сентябре команда исследователей доказала, что подобный источник рентгеновского излучения сохраняет стабильность в течение длительных промежутков времени. Следующим шагом будет начало применения его в научных целях. "Мы очень заинтересованы в изучении фотоактивных материалов, а также составных элементов для следующего поколения солнечных элементов и катализаторов," говорит Уллом. "Мы создадим модели новых систем и будем от них отталкиваться".
Струя воды проходит через оранжевый участок. Показан частично разобранный аппарат. Трубка слева соединена с водосборником над вакуумной камерой. Фото: Енс Улиг
"Есть некоторые материалы, которые, при интеграции в сенсибилизированные красителем солнечные элементы, как известно, дают более высокую производительность в разрезе объемных показателей, которые наиболее важны с практической точки зрения (эффективность использования генерируемой энергии). Но не всегда понятно, почему один конкретный материал лучше, чем другой. Таким образом, если мы увидим, как электрон движется от, скажем, одной части молекулы к другой, то это может помочь в объяснении преимуществ конкретного материала".
Конечно, фотоэлектрические системы не проектируются для взаимодействия с излучением на рентгеновских частотах. Поэтому образцы возбуждаются при помощи другой половины исходного пучка ИК лучей. "Это луч облучает цель на длинах волн, имеющих отношение к ее (цели) рабочим характеристикам," говорит Уллои, "А затем на нее попадает рентгеновский луч. Два импульса очень точно синхронизированы, так что мы можем управлять задержкой между ними. Мы можем инициировать фотореакцию с помощью первой половины импульса, выждать известное время задержки, скажем, 50 пс, а затем использовать рентгеновские лучи, чтобы создать снимок хода реакции в этой точке. Затем мы можем изменить интервал задержки для наблюдения других стадий реакции ".
Главная задача на сегодняшний день заключалась в том, чтобы заставить струю воды литься непрерывно и надежно, без замораживания твердого тела в вакуумной камере. "Вода является несколько нелогичным выбором в данном случае," говорит Уллом. "Можно получить больше рентгеновских лучей, если использовать что-то более тяжелое – что-то вроде меди. Другие специалисты, работающие над аналогичными конструкциями, обычно используют металлические провода, переходящие от одной катушки на другую, благодаря чему ионизирующей луч никогда не попадает в то же место дважды. Мы не хотели повторять это по ряду причин. Во-первых, продукты расщепления в подобном случае засоряют оптику. Вода также может попасть на нашу оптику, но она сразу же откачивается, и нам не приходится беспокоиться об удалении частиц металла. Кроме того, когда электроны попадают в плотный материал, возникает не только передающая среда, через которую может проходить широкий диапазон частот, но и резкие эмиссионные линии (кв. эл. линия испускания). При проведении абсорбционной спектроскопии эти линии доставляют неудобства. Вода не приводит к возникновению таких линий ".
Программа изучения материалов при помощи импульсных рентгеновских лучей – над которой трудится команда специалистов в области конденсированной материи, физико-химиков и экспертов по лазерам, а также специалистов по обработке информации из состава работников NIST и академических институтов – начнется с изучения массива из 160 элементов. Ученые планируют расширить список до 1000 элементов в течение оставшихся трех лет, которые предусмотрены программой финансирования проекта.
Научный сотрудник с ученой степенью Гален Oнил стоит за настольным аппаратом. Изображение в верхнем левом углу представляет собой увеличенную фотографию поликапиллярной оптики (набор очень мелких стеклянных трубок), которая используются для захвата и переориентации рентгеновских лучей от источника плазмы в сторону образца.
