Sposób na „zobaczenie” wiązań atomowych

Technologię opracowali naukowcy z zespołu prof. Przemysława Wachulaka, rektora-komendanta Wojskowej Akademii Technicznej. Przyszłe zastosowania to m.in. tworzenie leków, nanotechnologia i inżynieria materiałowa.

Źródło posiada tarczę gazową, którą pobudza się laserem, aby wytworzyć plazmę - stan materii, który zawiera swobodnie poruszające się cząstki naładowane: jony i elektrony. Plazma pozwala uzyskać promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej energii. Cała aparatura mieści się na laboratoryjnym biurku. Dla odmiany synchrotron to instalacja zajmująca cały budynek.

Instytut Optoelektroniki WAT jako jedyny w Polsce opracowuje i stosuje takie źródła w eksperymentach naukowych. Dzięki artykułom publikowanym w otwartym dostępie inne ośrodki naukowe mogą podjąć próbę zbudowania wysokoenergetycznych źródeł gazowych. Badacze zajmujący się spektroskopią materiałową przy krawędzi absorpcji (to nazwa spektroskopii, która pozwala zidentyfikować „odcisk palca”, czyli charakterystyczne widmo promieniowania każdego materiału) mogą też skorzystać ze źródeł działających w Warszawie.

„Zakres widzialny promieniowania to zakres od dwóch do trzech elektronowoltów. Tutaj mamy do czynienia z promieniowaniem o energii 1 keV, czyli tysiąc elektronowoltów. Aby uzyskać tę energię, wypuszczamy odrobinę gazu w próżni (bo promieniowanie takie rozchodzi się tylko w próżni), następnie skupiamy wiązkę laserową, uzyskując bardzo dużą intensywność w ognisku laserowym, aby odseparować elektrony od atomów. W ten sposób wytwarzamy plazmę. Po jakimś czasie następuje rekombinacja elektronów z ich atomami i emisja promieniowania w zakresie kiloelektronowoltów” – tłumaczy PAP płk. prof. dr hab. inż. Przemysław Wachulak.

Naukowiec dodaje, że trudno jest uzyskać taką energię z innych źródeł. Owszem, można wykorzystać lampę rentgenowską, ale wówczas promieniowania jest niewiele. Można też wygenerować promieniowanie w „fabrykach fotonów”, czyli w budynkach, gdzie zainstalowane są synchrotrony lub lasery na swobodnych elektronach. Wówczas fotonów jest znacznie więcej, a intensywność wiązki jest ogromna. Jednak takie kompaktowe źródło plazmowe jest po prostu praktyczne w zastosowaniach naukowych. Promieniowanie można uzyskać – co potwierdzili autorzy artykułu - używając niewielkich laserów i zastosować, na przykład do rentgenowskiej spektroskopii materiałów przy krawędzi absorpcji.

Jak wyjaśnia prof. Wachulak, każdy materiał ma w innym miejscu swoją "krawędź absorpcji". Jest to swoisty "odcisk palca", pozwalający naukowcom określić, z jakim pierwiastkiem mają do czynienia. W zakresie do pojedynczych kiloelektronowoltów można zobaczyć lżejsze pierwiastki, takie jak węgiel, tlen, azot, sód - ale i metale, takie jak żelazo, kobalt, nikiel, miedź, czy cynk. Co więcej, spektroskopia przy krawędzi absorpcji pozwala na otrzymanie informacji o typie wiązań pomiędzy atomami w danej próbce.

„Jest to niezbędne w zastosowaniach związanych z inżynierią materiałową, gdzie tworzy się nowe materiały i bada ich właściwości. W farmacji wiedza o wiązaniach atomowych jest bardzo ważna dla opracowaniu struktury leków i określenia, jak mogą one oddziaływać z białkami i enzymami w organizmie. Również w zastosowaniach związanych z szeroko pojętą nanotechnologią” – wylicza profesor.

W eksperymentach i badaniach do opisanego wcześniej źródła dostawia się spektrometr rentgenowski, w torze wiązki umieszczana jest próbka, którą prześwietla się promieniowaniem rentgenowskim i bada się spektrometrem widmo, czyli oscylacje spektralne pochodzące z owej próbki.

Istnieją źródła, które zamiast gazu wykorzystują do wygenerowania energii metale. Zdaniem prof. Wachulaka źródła gazowe mają dużą przewagę.

„W naszym źródle używany jest gaz szlachetny ksenon. Źródło gazowe jest powtarzalne i przy każdym impulsie lasera generuje tę samą liczbę fotonów, każdy impuls lasera oddziaływuje z nową, prawie identyczną, porcją gazu. Co ważne, kiedy ”strzela się” laserem do metalu, wówczas wybija się z niego małe drobiny, które zanieczyszczają wnętrze komory, próbkę i spektrometr - nie jest to źródło „czyste”. W naszym źródle wytwarzana plazma po chwili zanika i nie pozostawia żadnych materiałów ablacyjnych” – mówi naukowiec.

WAT wykonuje źródła gazowe od wielu lat. Technologię opracowano w latach 90-tych w zespole prof. Henryka Fiedorowicza. W tym przypadku optoelektronikom udało się „sięgnąć daleko w kiloelektronowolty”, a dzięki temu analiza spektroskopowa może sięgnąć do najgłębszych powłok atomowych. Inne źródła tego typu, opracowane w akademii, są wykorzystywane w mikroskopii, szczególnie do badania struktur organicznych, są też wykorzystywane do modyfikacji powierzchni polimerów oraz do tomografii rentgenowskiej.

„Zapotrzebowanie na badania spektroskopowe, na przykład materiałów magnetycznych, jest ogromne, a dostęp do instalacji synchrotronowych np. w Niemczech jest ograniczony. Dlatego zachęcamy do tego, albo naukowcy zbudowali w swoich ośrodkach badawczych źródła laserowo-plazmowe z tarczą gazową. Koszt wytwarzania i używania takiego źródła jest znikomy w porównaniu z synchrotronem. Technologia ta może się znakomicie rozprzestrzenić w różnych instytucjach naukowych. Jesteśmy otwarci na współpracę w tym zakresie” – podsumowuje prof. Wachulak.

Artykuł „Emisja 1 keV ze źródła laserowo-plazmowego na bazie tarczy z podwójnym strumieniem gazu Xenon/Hel” link: https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-13-20514&id=452054 ukazał się 21 czerwca w czasopiśmie "Optics Express". Zespół autorski (w kolejności podanej w czasopiśmie) tworzą: prof. Przemysław Wachulak, doktoranci Tomasz Fok i Łukasz Węgrzyński, prof. Andrzej Bartnik, dr Piotr Nyga, dr hab. Karol Janulewicz (b.prac.WAT) i prof. Henryk Fiedorowicz z Instytutu Optoelektroniki.

Źródło informacji: Nauka w Polsce