Η ακτινοβολία σύγχροτρον
είναι λαμπρότερη από ποτέ

Dominique Cornuejols

Παρ' όλα αυτά, ξεκίνησε την καριέρα του σε λάθος δρόμο. Η εκπομπή φωτός σημαίνει απώλεια ενέργειας στη φυσική των επιταχυντών, όπου ο κύριος σκοπός είναι να αυξηθεί η ενέργεια. Ποιος θα μπορούσε να έχει προβλέψει την εντυπωσιακή εξέλιξη που θα οδηγούσε στην κατασκευή μεγάλων δακτυλίων αποθήκευσης (που λανθασμένα ονομάζονται "σύγχροτρα") στα οποία χιλιάδες επιστήμονες σπεύδουν κάθε χρόνο για τη χρήση αυτού του πολύτιμου φωτός έστω και για λίγες μέρες;

Από τα σύγχροτρα στους δακτυλίους αποθήκευσης

Στην αρχή, η νέα δέσμη φωτός θεωρήθηκε μπελάς για τη σωματιδιακή φυσική και ήταν πολύ αδύνατη για να αποσπάσει το ενδιαφέρον άλλων κλάδων της επιστήμης. Μια σειρά από τεχνολογικές προόδους συνέχισαν να προωθούν την ακτινοβολία των σύγχροτρων στην πρώτη γραμμή της επιστημονικής έρευνας ως το επιλεγμένο όργανο για τη μελέτη της ύλης στις ατομικές και μοριακές διαβαθμίσεις της.

Η πρόσβαση στις ακτίνες-Χ υπήρξε ουσιαστικής σημασίας. Το μήκος κύματος των ακτίνων-Χ είναι συγκρίσιμο με τις διατομικές αποστάσεις, έτσι είναι δυνατή η περίθλαση των ακτίνων-Χ από δείγματα κρυστάλλων, και έτσι οι δομές τους μπορούν να αναλυθούν στην ατομική κλίμακα. Οι άλλες πειραματικές τεχνικές (όπως η φασματοσκοπία απορρόφησης, η απεικόνιση και η σκέδαση) επίσης ωφελήθηκαν από τη μείωση του μήκους κύματος της παραγόμενης ακτινοβολίας, δίνοντας έτσι μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα (resolution).

Λαμπρότητα

Η φασματική συνέχεια είναι ασφαλώς ένα κρίσιμο πλεονέκτημα της ακτινοβολίας σύγχροτρου. Οι επιστήμονες μπορούν να επιλέξουν το μήκος κύματος που ταιριάζει καλύτερα στη μελέτη τους χρησιμοποιώντας το μονοχρώμετρο της δέσμης, κι είναι σε θέση να αλλάξουν την επιλογή τους κατά τη διάρκεια του πειράματος. Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα, ιδιαίτερα στην περιοχή των ακτίνων-Χ, είναι η πόλωση - μία δέσμη σύγχροτρου είναι φυσικά πολωμένη στο οριζόντιο επίπεδο και μπορεί επίσης να πολωθεί και κυκλικά. Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό είναι το γεγονός ότι η δέσμη είναι παλμική - μία διαδοχή αναλαμπών, που η καθεμιά διαρκεί περίπου 100 ps (picoseconds, 10-12 seconds), επιτρέπει τη δυναμική μελέτη πολύ γρήγορων χημικών και βιολογικών αντιδράσεων.

Αλλά η πιο εντυπωσιακή πρόοδος τα τελευταία χρόνια έγινε στην ένταση και στην ευθυγράμμιση της δέσμης. Αυτές οι δύο ιδιότητες είναι γνωστές ως σύνολο με τον όρο λαμπρότητα (brilliance), που συγκρίνει την οπτική ποιότητα των διαφόρων πηγών. Σήμερα, η λαμπρότητα των καλύτερων δεσμών σύγχροτρου είναι χίλια δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή μιας συμβατικής πηγής ακτίνων-Χ. Μια εξαιρετική λαμπρότητα συνοδεύεται επίσης από μία άλλη ιδιότητα της δέσμης -τη συμφωνία- που χρησιμοποιείται για να είναι η δέσμη συγκεκριμένη όπως μία δέσμη λέιζερ. Ακόμα, η συμφωνία επιτυγχάνεται από τα σύγχροτρα στην περιοχή των ακτίνων-Χ, πράγμα που είναι ακόμα δύσκολο για τα λέιζερ.

Πώς μπορεί να εξηγηθεί αυτή η εξαιρετική αύξηση της λαμπρότητας; Υπάρχουν δύο βασικοί λόγοι. Ο πρώτος είναι η χρήση ειδικών μαγνητικών κατασκευών που ονομάζονται undulators και βρίσκονται μέσα στους δακτυλίους αποθήκευσης. Μικροί μόνιμοι μαγνήτες στερεώνονται σε δύο σιαγόνες με μεταβλητό άνοιγμα. Αλλάζοντας την πολικότητα των μαγνητών τα ηλεκτρόνια εξαναγκάζονται σε ταλάντωση μέσα στο σύστημα.

Σε κάθε ταλάντωση, εκπέμπονται φωτόνια σε μια πολύ στενή δέσμη. Για παράδειγμα, εάν ο undulator αποτελείται από 100 μαγνήτες, οι πολλοί κώνοι φωτός υπερτίθενται και, μέσω συμβολής, παράγουν ένα φάσμα που αποτελείται από κορυφές, με τα φωτόνια συγκεντρωμένα σε συγκεκριμένες ενέργειες. Με αυτόν τον τρόπο η λαμπρότητα της φωτεινής δέσμης αυξάνεται σημαντικά στα σημεία των κορυφών.

Κινώντας τους σιαγόνες και έτσι μεταβάλλοντας το κενό, είναι δυνατό να μετατοπίσουμε τις κορυφές για να δώσουν την επιθυμητή ενέργεια. Οι επιστήμονες επωφελούνται έτσι από μία ενισχυμένη σε ένταση δέσμη για οποιαδήποτε ενέργεια μέσα στην εφικτή περιοχή ενεργειών που μπορούν να παραχθούν. Οι πιο πρόσφατες μηχανές, γνωστές ως μηχανές "τρίτης γενιάς", κάνουν εντατική χρήση τέτοιων undulators.

Ο δεύτερος λόγος για την αύξηση της λαμπρότητας των δεσμών είναι η βελτίωση των μηχανών, που οδηγεί σε έναν σχεδόν τέλειο έλεγχο της τροχιάς και του σχήματος της ηλεκτρονικής δέσμης. Οι μηχανές τρίτης γενιάς έχουν πολύ χαμηλή ισχύ εκπομπής (το γινόμενο του μεγέθους της δέσμης με την απόκλισή της) - όσο πιο χαμηλή είναι η ισχύς εκπομπής, τόσο μεγαλύτερη είναι η λαμπρότητα.

Δέσμες-γραμμές

Αλλά μόνο η απόδοση της μηχανής δεν είναι αρκετή για να διεξαχθεί ένα πείραμα που χρησιμοποιεί την ακτινοβολία σύγχροτρου. Στη δέσμη-γραμμή, η δέσμη πρέπει να υποστεί επεξεργασία (ουσιαστικά να γίνει μονοχρωματική και να εστιαστεί) για να φωτίσει το δείγμα κάτω από ιδανικές συνθήκες.

Οι μηχανές τρίτης γενιάς επιβάλλουν νέους περιορισμούς στα οπτικά συστήματα. Πράγματι, εξαιτίας της έντασης της δέσμης, το θερμικό φορτίο είναι πολύ υψηλό και είναι απαραίτητο να ψύχονται οι οπτικές κατασκευές (συνήθως με υγρό άζωτο). Η εστίαση -που είναι πάντα πρόβλημα στην περίπτωση των ακτίνων-Χ- συνεπάγεται την ώθηση των συνηθισμένων τεχνολογιών (κατόπτρων) σε νέα όρια και την επινόηση νέων συσκευών (φακών) έτσι ώστε να αποκτήσουμε τις μικροδέσμες που απαιτούνται σε ένα μεγάλο αριθμό πειραμάτων.

Τελικά, στο τέλος της δέσμης βρίσκεται ο ανιχνευτής και τα ηλεκτρονικά συστήματα για τη λήψη της πληροφορίας, τα οποία, εξαιτίας της λαμπρότητας της δέσμης, έχουν να καταγράψουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων σε πολύ μικρό χρόνο. Ανάμεσα στα πολλά πεδία έρευνας που χρησιμοποιούν την ακτινοβολία σύγχροτρου, το καλύτερο παράδειγμα είναι η πρωτεϊνική κρυσταλλογραφία. Παράλληλα με τις γενομικές επιστήμες, μια νέα επιστήμη αναδύεται που ονομάζεται πρωτεομική (η μελέτη του proteome - του καταλόγου των πρωτεϊνών ενός ζωντανού όντος). Ενώ η ακολουθία ενός γονιδίου μπορεί τώρα να επιλυθεί μάλλον εύκολα χρησιμοποιώντας των αυτοματισμό των υπολογιστών, η μελέτη των πρωτεϊνών είναι πιο πολύπλοκη. Στην πραγματικότητα, η διαδοχή των αμινοξέων σε μία πρωτείνη δεν καθορίζει απαραίτητα και τη λειτουργία της: η τελευταία εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο η πρωτείνη διπλώνεται στο χώρο, δημιουργώντας έτσι μια τρισδιάστατη δομή που εξελίσσεται κατά τη διάρκεια της βιολογικής αντίδρασης.

'Ετσι, η γνώση για τη διάταξη των ατόμων σε ένα βιολογικό μακρομόριο έχει γίνει ένας από τους κυριότερους στόχους της μοριακής βιολογίας και, φυσικά, της φαρμακευτικής βιομηχανίας. Η δομή των μικρών μορίων (που περιλαμβάνουν μέχρι λίγες χιλιάδες άτομα) μπορεί να αναλυθεί χρησιμοποιώντας πυρηνική μαγνητική τομογραφία. Αλλά, για μεγαλύτερα μόρια η μόνη διαθέσιμη τεχνική είναι η περίθλαση ακτίνων-Χ (εάν η πρωτείνη μπορεί να κρυσταλλοποιηθεί). Παρ' όλο που έχει γίνει μεγάλη πρόοδος στις τεχνικές κρυστάλλωσης, αυτή η διαδικασία είναι συχνά δύσκολη (μερικές φορές αδύνατη) και οι κρύσταλλοι που προκύπτουν δεν έχουν πάντα την βέλτιστη ποιότητα.

Στην πρωτεϊνική κρυσταλλογραφία, η ακτινοβολία σύγχροτρου παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα συγκρινόμενη με τις συμβατικές ακτίνες-Χ. Ιδιαίτερα, επιτρέπει τη μελέτη μικροσκοπικών κρυστάλλων ή κρυστάλλων που περιθλώνται ασθενώς. Επίσης, μπορεί κανείς να αναλύσει πολύ μεγάλα πολύπλοκα συστήματα, που αφορούν το DNA και το RNA μαζί με τις πρωτείνες. Αυτή είναι η περίπτωση των ιών και του ριβοσώματος - του εργοστασίου κατασκευής των πρωτεινών. Η μεγαλύτερη δομή που έχει ποτέ επιλυθεί είναι αυτή του ιού blue tongue, που περιέχει περίπου 10 εκατομμύρια άτομα. Ακόμα, εάν κανείς πετύχει την κρυστάλλωση, για παράδειγμα, μιας μονάδας που είναι φτιαγμένη από μία πρωτείνη ιού και του αντισώματός της, μπορεί να μάθει πολλά για το σχήμα της θέσης ένωσής τους, βοηθώντας έτσι στην ανακάλυψη και σύνθεση νέων φαρμάκων, με τέλεια στόχευση στο συγκεκριμένο μικρόβιο και γι' αυτό πιο αποτελεσματικά.

Για πολύ καιρό, η πρωτεϊνική κρυσταλλογραφία έδινε μόνο στατικές απεικονίσεις. Χάρη στην παλμική δομή της ακτινοβολίας σύγχροτρου και στην λαμπρότητα των νέων πηγών, είναι σήμερα δυνατό να παίρνουμε μια σειρά εικόνων και να προσδιορίζουμε ενδιάμεσες καταστάσεις σε κλίμακα νανοδευτερολέπτων.

Νανοδομές

Η εφαρμοσμένη έρευνα διερευνά αδιάκοπα τη συμπεριφορά νέων υλικών. Για παράδειγμα, σημαντικές προσπάθειες για έρευνα και ανάπτυξη κατευθύνονται προς τη μελέτη των ιδιοτήτων των λεπτών μαγνητικών μεμβρανών που χρησιμοποιούνται στους σκληρούς δίσκους των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Μια καλύτερη κατανόηση της νέας μαγνητικής συμπεριφοράς, όπως η μαγνητική αντίσταση, θα αύξαινε σημαντικά τη χωρητικότητα αυτών των συσκευών. Το υλικό που χρησιμοποιείται κανονικά για την καταγραφή των δεδομένων στο σκληρό δίσκο είναι μία μεμβράνη από ένα κράμα χάλυβα-νικελίου, με μια μαγνητική αντίσταση περίπου 3%. Στα σάντουιτς σιδήρου / χρωμίου / σιδήρου ή σιδήρου / χαλκού / σιδήρου, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι έως και 100% καλύτερο.

Οι διαστάσεις αυτών των δομών είναι σε κλίμακα νανομέτρων (10-9 m), έτσι δεν πρέπει πια να αποκαλούμε αυτά τα συστήματα μικροηλεκτρονικά, αλλά νανοηλεκτρονικά. Για να μελετήσουν τις μαγνητικές ιδιότητες αυτών των νανοδομών, οι επιστήμονες τελειοποιούν τώρα νέες πειραματικές τεχνικές που εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες της ακτινοβολίας σύγχροτρου. 'Ενα παράδειγμα είναι η επιφανειακή περίθλαση με εφαπτομενική πρόσπτωση μιας πολύ καλά εστιασμένης δέσμης, που χρησιμοποιείται για να καταγράψει μόνο το σήμα που προέρχεται από τα εξωτερικά στρώματα - μία τεχνική που απαιτεί τη μέγιστη δυνατή λαμπρότητα.

Μία άλλη τεχνική τέλεια προσαρμοσμένη στη μελέτη των μαγνητικών υλικών είναι ο μαγνητικός κυκλικός διχρωισμός, κατά τον οποίο το φως αλλάζει από αριστερόστροφη σε δεξιόστροφη κυκλική πόλωση, και το ανάποδο. Σε μερικά υλικά, η αλληλεπίδραση των φωτονίων με τα ηλεκτρόνια εξαρτάται από την κατεύθυνση της πόλωσης. Η διαφορά που προκύπτει στην απορρόφηση αποκαλύπτει τη μαγνητική κατάσταση του υλικού και επιτρέπει την ξεχωριστή μέτρηση της μέσης ροπής κάθε στοιχείου (σιδήρου, χαλκού, κοβαλτίου, κ.λπ.) μέσα στο υλικό. Καμιά άλλη τεχνική δεν μπορεί να δώσει αυτές τις πληροφορίες.

Ιατρικές εφαρμογές

Η ιατρική έρευνα χρησιμοποιεί τις νέες δυνατότητες που φέρνει η ακτινοβολία σύγχροτρου για την αγγειογραφία, την τομογραφία και τη ραδιοθεραπεία. Μία από τις πιο αξιοσημείωτες προόδους των τελευταίων ετών είναι η χρήση της συμφωνίας της δέσμης σε μεθόδους απεικόνισης: η μικροτομογραφία, όταν συνδέεται με την "αντίθεση φάσης", επιτρέπει την εξερεύνηση της τρισδιάστατης δομής βιολογικών ιστών όπως τα οστά, όπως και σύνθετων και πορωδών υλικών (βιομηχανικοί αφροί, κράματα, ακόμα και χιόνι) με ενισχυμένο κοντράστ και εξαιρετική ανάλυση.

Η μικροσκόπηση με ακτίνες-Χ από την άλλη πλευρά, απαιτεί ειδικές οπτικές διατάξεις, που ονομάζονται ζωνικοί δίσκοι, οι οποίες ανεβάζουν τα όρια της διακριτικής ικανότητας σε μερικές δεκάδες νανόμετρα. Συγκρινόμενη με τις άλλες γνωστές τεχνικές μικροσκόπησης, η ακτινοβολία σύγχροτρου προσφέρει και πάλι πολλά πλεονεκτήματα, όπως είναι η δυνατότητα ενίσχυσης του κοντράστ με φθορισμό εξαιτίας της παρουσίας ορισμένων στοιχείων μέσα στο δείγμα.

Η μεγάλη ευρύτητα των επιστημονικών κλάδων που εμπλέκονται στην πληθώρα των αντικειμένων που μελετήθηκαν, η αρραγής συνέχεια που υπάρχει μεταξύ βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας, και η αδιάκοπη βελτίωση των πειραματικών συσκευών και τεχνικών ώστε να βοηθήσουν τους επιστήμονες να ξεπεράσουν τα όρια της γνώσης, όλα αυτά υπόσχονται ένα λαμπρό μέλλον για την ακτινοβολία σύγχροτρου.