Margar af dýpstu leyndardómum vísindanna liggja falin á smásjárskala. Til að afhjúpa þessi leyndardóm eru vísindamenn víðsvegar að úr heiminum að safnast saman á bandaríska orkumálaráðuneytinu Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratory til að kanna með línulegu samhangandi ljósgjafa sínum (LCLS).
LCLS virkar eins og risastór smásjá, gefur frá sér Ultra - bjart x - geislapúls og beina þeim að ýmsum nákvæmni vísindalegum tækjum. Vísindamenn nota það til að fanga tafarlausa hreyfingu frumeinda, fylgjast með raunverulegu - tímavirkni efnafræðilegra viðbragða, afhjúpa einstaka eiginleika efna og fá innsýn í grundvallaraðferðir lífsins. Eftir meira en áratug af árangursríkri aðgerð hefur LCLS lokið gagnrýninni uppfærslu sem kallast LCLS - II. Uppfærða kerfið eykur endurtekningarhlutfallið x - geisla púls frá 120 sinnum á sekúndu í furðulega 1 milljón sinnum á sekúndu, næstum tífalt aukning. Þetta stökk framsóknar er tilefni til nýrrar kynslóðar tilraunabúnaðar og rannsóknaraðferða, sem gerir vísindamönnum kleift að takast á við klippingu - Edge vísindalegra spurninga sem einu sinni voru taldar utan seilingar.
Að taka árangursríkar ljóseindir: stökk frá dögum til stunda
Meðal hinna ýmsu rannsóknartækja nota QRIXS og Chemrixs litrófsmælar resonant inelastic x - geisladreifingar (rixs) tækni. Þessi tækni virkar með því að lýsa upp sýnishorn með x - geislapúlsum, spennandi innri - skel rafeindir; Þegar rafeindirnar snúa aftur í stöðugt ástand losar þær orku í formi ljóseindir. Með því að greina þessar losuðu ljóseindir geta vísindamenn endurbyggt millistig viðbragðsins og nákvæmlega rannsakað rafræna eiginleika skammtaefnis.
Georgi Dakovski, aðal vísindamaður hjá SLAC og yfirmaður Qrixs tækisins, útskýrir að Rixs sé mælitækni með afar lágt merki. Í tilraunum er mikill meirihluti atviks x - geisla ljóseindir frásogaðar eða dreifðar af sýninu og ná aldrei skynjara. Að meðaltali framleiðir aðeins ein af öllum milljarði atvikum ljóseindir áhrifaríkt merki sem hægt er að greina með góðum árangri. Georgi Dakovski segir: Við upphaflega púls tíðni LCLS var það listform að ná jafnvel minnsta árangursríkri ljóseind, þar sem við þurftum að bíða í langan tíma til að safna nægum gögnum. “
Hins vegar framleiðir LCLS nú x - geislapúls á genginu 100 til 10.000 sinnum hærri á sekúndu. Rixs mælingar sem einu sinni tóku daga til að klára er nú hægt að fá á nokkrum mínútum eða jafnvel sekúndum.
Georgi Dakovski sagði: „Þessi framför hefur valdið ótrúlegum breytingum. Ekki aðeins hefur hraða gagnaöflunar verulega aukist, heldur er skýrleiki einnig fordæmalaus. Við getum nú fylgst með í raunverulegum - tíma hvernig efni umbreytast með tímanum, fylgst með sendingu orku innan efna og fylgst með samskiptum milli þess að koma til greina. LCLS er verulega endurbætt x - geislapúls tíðni. “
Georgi Dakovski stendur við hliðina á Qrixs tækinu
Í vor, eftir að uppfærslum var lokið, frumraun Qrixs frumraun sína. Þetta er gríðarlegt tæki búin með 12 - fóta - löngum litrófsmæli sem getur snúið 110 gráður og notar Rixs tækni til að rannsaka skammtavirkni fastra - kristallaðra efna. Stór stærð þess gerir vísindamönnum kleift að greina efni í mjög mikilli upplausn frá mörgum sjónarhornum, en það þarf einnig stórt inntak af x - geislum til að fá hágæða gögn. Þessi getu hefur lengi verið brýn þörf fyrir notendasamfélag LCLS, en vegna afar hára ljóseindarkrafna hafa þær aðeins orðið framkvæmanlegar.
Vísindamenn nota nú QRIX til að rannsaka efni eins og hátt - hitastigsleiðara, sem geta sent rafmagn með núll orkutapi. Dýpri skilningur á undirliggjandi skammtafyrirbæri gæti valdið þróun skilvirkari skammtatölvur, bætt segulómun (MRI) búnað til læknisfræðilegra nota og gert kleift að átta sig á hugsanlegum taplausum raforkuflutningsnetum í stórum stíl.
Kristjan Kunnus með Chemrixs tækinu
Þó að QRIXS sé fyrst og fremst notað við skammtafræðirannsóknir, er ChemRixs sérstaklega hannað til að greina efnafræðilega eiginleika fljótandi sýna, allt frá Ultra - hreinu vatni til efnafræðilegra leysanna. Chemrixs veitir vísindamönnum ítarlega innsýn í efnaferli, svo sem millistig ljóstillífunar, sem gæti hugsanlega leitt til þróunar á gervi ljóstillífunarkerfi í framtíðinni.
Chemrixs var settur upp árið 2021 og hefur starfað á LCLS geislalínunni í nokkur ár og safnað miklu magni af gögnum. Kristjan Kunnus, SLAC vísindamaður og aðalrannsakandi fyrir Chemrixs tækið, sagði að veruleg aukning á x - geisla styrkleiki sem LCLS - II hafi aukið rannsóknarmöguleika tækisins til muna. Hann sagði: "Áður gátum við ekki rannsakað lágt - styrk leysir og þurftum að nota hærra -} heimsheimildir, sem endurspegluðu ekki að fullu efnaferli undir raunverulegum - heimi aðstæðum. Nú getum við greint þynningarsýni sem voru raunverulega mikilvæg í efnafræðilegum forritum og enn fengið hátt {-} gæði gagna, sem var einfaldlega ómögulegt í fortíðinni.
Að taka sameinda kvikmyndir: að fylgjast með efnafræðilegum viðbrögðum við trilljón í sekúndu
Á þeim tíma - leyst atóm-, sameinda- og ljósvísindi (TMO) EndStation, eru mörg ný hljóðfæri að nýta uppfærða getu LCLS - II til að rannsaka hvernig rafeindir hefja ýmsa ferla í líffræði, efnafræði og efnisvísindum. Einn af þessum er Multi - upplausn „Cookie Box“ (MRCO) tækið, þar sem kjarninn er hringrás af 16 rafeindaskynjara sem ætlað er að nýta hærri endurtekningarhlutfall LCLS. Með því að sameina þetta háþróaða kerfi og Ultrafast leysir púls LCLS geta vísindamenn nákvæmlega bent á augnablikið sem rafeindir flýja frá sameindum og mælt orkuspekt og hyrnd dreifingu sleppandi rafeinda með afar mikilli nákvæmni. Þessar mælingar gera vísindamönnum kleift að leysa flutning hleðslu og orku innan sameindakerfa á náttúrulegum tímamörkum allt að stuttum og einum trilljón í sekúndu. Á endanum prófa slíkar rannsóknir ekki aðeins mörk skammtafræði heldur veita einnig mikilvægar innsýn til að hanna skilvirkari hvata og eldsneyti.
Razib Obaid, Slac vísindamaður og yfirmaður MRCO tækisins, sagði: Við erum ekki lengur þvingaðir af þröngum „athugunarglugga“ fortíðar; Þessi uppfærsla hefur stækkað vísindaleg mörk sem við getum kannað í hverri tilraun. “
Einn af nýjum meðlimum TMO flugstöðvarinnar er kraftmikið viðbrögð smásjá (draumur). Eins og nafnið gefur til kynna er Dream öflug viðbrögð smásjá sem gerir vísindamönnum kleift að fylgjast með ástandi einstakra sameinda við efnafræðilega umbreytingu. Tækið einbeitir x - geisla geisla á eina sameind, strípur smám saman frá sér rafeindir sínar þar til sameindin „springur“, með öllum efnasamböndum alveg brotin. Brotin sem myndast eru síðan greind og notuð til að endurgera hátt - upplausnarbyggingarkort af sameindinni. Með því að safna milljónum slíkra mynda geta vísindamenn að lokum smíðað sameinda - stig „kvikmynd“ af efnafræðilegum viðbrögðum.
James Cryan, háttsettur vísindamaður hjá SLAC og yfirmaður TMO tækisins, sagði: „Þessi búnaður gerir okkur kleift að skilja fyrirbæri á grundvallaratriðum, svo sem hvernig ljósmyndefnafræðilegir ferlar eins og sjón, sólarorkubreyting og ljóstillífun þróast, hvernig DNA flytur orku þegar hún tekur upp ljós og hvernig rafeindir hreyfast frá einni hlið á sameindinni til annarrar.“
Þessi byltingartækni byggir alfarið á háa -} hraðapúls tíðni. Til að fanga að fullu ein sameindaviðbrögð þurfa vísindamenn að taka myndir frá næstum milljón mismunandi sjónarhornum, sem þýðir milljónir af x - geislaáhrifum. Árið 2020 byggði teymið frumgerð á núverandi geislalínu til að sannreyna getu. Þeir eyddu viku í að safna gögnum en gátu aðeins búið til einn ramma af sameindamyndinni.
James Cryan sagði: „Við upphaflegar aðstæður gæti það hafa tekið mörg ár að leysa að fullu ein viðbrögð. Nú, með draum sem starfar á uppfærðu LCLS geislalínunni, getum við fylgst með þessum ferlum á alveg nýjan hátt. Þessi uppfærsla er vendipunktur, sem gerir áður ómögulegt rannsóknir að veruleika.“
Veruleg aukning á getu gagnaöflunar hjá LCLS hefur ekki aðeins hrogið nýjar rannsóknaraðferðir heldur einnig skapað gríðarlegt magn gagna til að þjálfa grunn AI líkana. Þessi AI líkön geta hjálpað vísindamönnum að safna gögnum á skilvirkari hátt til að kanna ný efni og veita raunverulegu - tímaaðstoð til rekstraraðila við leiðréttingar á geislalínu. Matthias Kling, forstöðumaður rannsóknar- og þróunarstjóra LCLS, sagði: „Djúp samþætting þessarar AI tækni mun án efa móta rannsóknarlandslagið og flýta fyrir hraða vísindalegrar uppgötvunar.“
Með aukinni afköstum og nýju tækjabúnaði hefur LCLS - ii uppfært verulega umfang LCLS rannsókna. Vísindamenn eru nú að greina gögn frá fyrstu tilraunum og ætla að gera fleiri tilraunir á þessu ári. Búist er við að vísindalegar uppgötvanir sem þessar háþróaða aðstöðu gera kleift að dýpka skilning mannkynsins enn frekar á grundvallarferlum sem móta heiminn.
