Il est 4 heures du matin, et je suis debout depuis environ 20 heures d'affilée. Une forte alarme retentit, accompagné de feux stroboscopiques rouges clignotants. Une voix sévère annonce, "Recherche de la station B. Sortez immédiatement." Cela ressemble à une urgence, mais ce n'est pas. En réalité, l'alarme a déjà sonné 60 ou 70 fois aujourd'hui. C'est un avertissement, faire savoir à tout le monde dans les environs que je suis sur le point de faire exploser un faisceau de rayons X de haute puissance dans une petite pièce pleine d'équipements électroniques et de panaches d'azote liquide en vaporisation.

Au centre de cette pièce, qui s'appelle la station B, J'ai placé un cristal pas plus épais qu'un cheveu humain au bout d'une minuscule fibre de verre. J'ai préparé des dizaines de ces cristaux, et j'essaie de les analyser tous.

Ces cristaux sont constitués de matériaux semi-conducteurs organiques, qui sont utilisés pour fabriquer des puces informatiques, Lumières LED, écrans de smartphones et panneaux solaires. Je veux savoir précisément où se trouve chaque atome à l'intérieur des cristaux, à quel point ils sont densément emballés et comment ils interagissent les uns avec les autres. Cette information m'aidera à prédire dans quelle mesure l'électricité les traversera.

Pour voir ces atomes et déterminer leur structure, J'ai besoin de l'aide d'un synchrotron, qui est un instrument scientifique massif contenant une boucle d'électrons d'un kilomètre de long qui zoome à une vitesse proche de la lumière. J'ai aussi besoin d'un microscope, un gyroscope, l'azote liquide, un peu de chance, un collègue doué et un tricycle.

Mettre le cristal en place

La première étape de cette expérience consiste à placer les très petits cristaux sur la pointe de la fibre de verre. J'utilise une aiguille pour en gratter un tas sur une lame de verre et les passer au microscope. Les cristaux sont magnifiques – colorés et facettés comme de petites pierres précieuses. Je me retrouve souvent transpercé, regarder avec des yeux privés de sommeil dans le microscope, et recentrer mon regard avant d'en attirer minutieusement un sur le bout d'une fibre de verre.

Une fois que j'ai attaché le cristal à la fibre, Je commence la tâche souvent frustrante de centrer le cristal sur la pointe d'un gyroscope à l'intérieur de la station B. Cet appareil fera tourner le cristal, lentement et continuellement, me permettant d'obtenir des images radiographiques de tous les côtés.

Pendant qu'il tourne, la vapeur d'azote liquide est utilisée pour le refroidir :même à température ambiante, les atomes vibrent d'avant en arrière, ce qui rend difficile d'obtenir des images claires d'eux. Refroidir le cristal à moins 196 degrés Celsius, la température de l'azote liquide, fait que les atomes s'arrêtent tellement de bouger.

Photographie aux rayons X

Une fois que j'ai centré et refroidi le cristal, Je ferme la station B, et à partir d'un centre de contrôle informatique à l'extérieur de celui-ci, exploser l'échantillon avec des rayons X. L'image résultante, appelé diagramme de diffraction, s'affiche sous forme de points lumineux sur fond orange.

Ce que je fais n'est pas très différent de prendre des photos avec un appareil photo et un flash. Je suis sur le point d'envoyer des rayons lumineux sur un objet et d'enregistrer comment la lumière rebondit dessus. Mais je ne peux pas utiliser la lumière visible pour photographier des atomes - ils sont trop petits, et les longueurs d'onde de la lumière dans la partie visible du spectre sont trop grandes. Les rayons X ont des longueurs d'onde plus courtes, donc ils vont diffracter, ou rebondir sur des atomes.

Cependant, contrairement à un appareil photo, les rayons X diffractés ne peuvent pas être focalisés avec une simple lentille. Au lieu d'une image semblable à une photographie, les données que je collecte sont un schéma flou de l'endroit où les rayons X sont allés après avoir rebondi sur les atomes de mon cristal. Un ensemble complet de données sur un cristal est composé de ces images prises sous tous les angles tout autour du cristal pendant que le gyroscope le fait tourner.

Mathématiques avancées

Mon collègue, Nicolas DeWeerd, se trouve à proximité, analyser les ensembles de données que j'ai déjà collectés. Il a réussi à ignorer les alarmes tonitruantes et les lumières clignotantes pendant des heures, regarder des images de diffraction sur son écran pour, en effet, transformer les images radiographiques de tous les côtés du cristal en une image des atomes à l'intérieur du cristal lui-même.

Dans les années passées, ce processus peut avoir pris des années de calculs minutieux effectués à la main, mais maintenant, il utilise la modélisation informatique pour assembler toutes les pièces. Il est l'expert officieux de notre groupe de recherche dans cette partie du puzzle, et il adore ça. "C'est comme Noël !" je l'entends marmonner, alors qu'il parcourt des images scintillantes de motifs de diffraction.

Je souris à l'enthousiasme qu'il a réussi à maintenir si tard dans la nuit, alors que j'allume le synchrotron pour obtenir mes images du cristal perché dans la station B. Je retiens mon souffle alors que les motifs de diffraction des premiers angles apparaissent à l'écran. Tous les cristaux ne diffractent pas, même si j'ai tout mis en place parfaitement. C'est souvent parce que chaque cristal est composé de beaucoup de cristaux encore plus petits collés ensemble, ou des cristaux contenant trop d'impuretés pour former un motif cristallin répétitif que nous pouvons résoudre mathématiquement.

Si celui-ci ne fournit pas d'images claires, Je vais devoir recommencer et en créer un autre. Heureusement, dans ce cas, les premières images qui apparaissent sont lumineuses, points de diffraction clairs. Je souris et m'assois pour collecter le reste de l'ensemble de données. Maintenant que le gyroscope tourbillonne et que le faisceau de rayons X projette l'échantillon, J'ai quelques minutes pour me détendre.

Je boirais du café pour rester alerte, mais mes mains tremblent déjà à cause d'une surcharge de caféine. Au lieu, J'appelle Nick :"Je vais faire un tour." Je me dirige vers un groupe de tricycles assis à proximité. Normalement utilisé uniquement pour se déplacer dans le grand bâtiment contenant le synchrotron, Je les trouve tout aussi utiles pour une tentative désespérée de se réveiller avec un peu d'exercice.

Pendant que je roule, Je pense au cristal monté sur le gyroscope. J'ai passé des mois à le synthétiser, et bientôt j'en aurai une photo. Avec la photo, Je comprendrai si les modifications que j'y ai apportées, ce qui le rend légèrement différent des autres matériaux que j'ai fabriqués dans le passé, l'ont amélioré du tout. Si je vois des preuves d'un meilleur emballage ou d'interactions intermoléculaires accrues, cela pourrait signifier que la molécule est un bon candidat pour les tests dans les appareils électroniques.

Épuisé, mais heureux parce que je collecte des données utiles, Je pédale lentement autour de la boucle, notant que le synchrotron est très demandé. Lorsque la ligne de lumière est en marche, il est utilisé 24h/24 et 7j/7, c'est pourquoi je travaille toute la nuit. J'ai eu la chance d'avoir un créneau horaire. Dans les autres gares, d'autres chercheurs comme moi travaillent tard dans la nuit.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.