Klockan är fyra på morgonen, och jag har varit uppe i ca 20 timmar i sträck. Ett högt larm ropar, åtföljs av röda blinkljus som blinkar. En sträng röst meddelar, "Söker station B. Avsluta omedelbart." Det känns som en nödsituation, men det är inte. Faktiskt, larmet har redan gått 60 eller 70 gånger idag. Det är en varning, låta alla i närheten veta att jag är på väg att spränga en kraftfull röntgenstråle i ett litet rum fullt av elektronisk utrustning och plumes av förångande flytande kväve.

I mitten av detta rum, som kallas station B, Jag har placerat en kristall som inte är tjockare än ett människohår på spetsen av en liten glasfiber. Jag har förberett dussintals av dessa kristaller, och jag försöker analysera dem alla.

Dessa kristaller är gjorda av organiska halvledande material, som används för att göra datorchips, Led-lampor, smarttelefonskärmar och solpaneler. Jag vill ta reda på exakt var varje atom inuti kristallerna finns, hur tätt packade de är och hur de interagerar med varandra. Denna information hjälper mig att förutsäga hur väl el kommer att strömma genom dem.

För att se dessa atomer och bestämma deras struktur, Jag behöver hjälp av en synkrotron, som är ett massivt vetenskapligt instrument som innehåller en kilometer lång slinga av elektroner som zoomer runt nära ljusets hastighet. Jag behöver också ett mikroskop, ett gyroskop, flytande kväve, lite tur, en begåvad kollega och en trehjuling.

Att få kristallen på plats

Det första steget i detta experiment innebär att de super-små kristallerna placeras på spetsen av glasfibern. Jag använder en nål för att skrapa ihop en hög med dem på en glasskiva och lägga dem under ett mikroskop. Kristallerna är vackra - färgglada och fasetterade som små ädelstenar. Jag känner mig ofta upprörd, stirrar med sömnberövade ögon i mikroskopet, och riktade om min blick innan jag noggrant lockade en till spetsen på en glasfiber.

När jag väl har fått kristallen fäst vid fibern, Jag börjar den ofta frustrerande uppgiften att centrera kristallen på spetsen av ett gyroskop inne i station B. Denna enhet kommer att snurra kristallen runt, långsamt och kontinuerligt, så att jag kan ta röntgenbilder från alla sidor.

När det snurrar, flytande kväveånga används för att kyla ner den:Även vid rumstemperatur, atomer vibrerar fram och tillbaka, gör det svårt att få tydliga bilder av dem. Kylning av kristallen till minus 196 grader Celsius, temperaturen på flytande kväve, får atomerna att sluta röra sig så mycket.

Röntgenfotografering

När jag väl har kristallen centrerad och svalnat, Jag stänger av station B, och från en datorkontrollnav utanför den, spränga provet med röntgenstrålar. Den resulterande bilden, kallas ett diffraktionsmönster, visas som ljuspunkter på en orange bakgrund.

Det jag gör skiljer sig inte så mycket från att fotografera med kamera och blixt. Jag är på väg att skicka ljusstrålar mot ett föremål och registrera hur ljuset studsar av det. Men jag kan inte använda synligt ljus för att fotografera atomer - de är för små, och ljusets våglängder i den synliga delen av spektrumet är för stora. Röntgenstrålar har kortare våglängder, så de kommer att bryta, eller studsa av atomer.

Dock, till skillnad från en kamera, diffrakterade röntgenstrålar kan inte fokuseras med ett enkelt objektiv. Istället för en fotografiliknande bild, data jag samlar in är ett ofokuserat mönster av var röntgenstrålarna tog vägen efter att de studsade av atomerna i min kristall. En fullständig uppsättning data om en kristall består av dessa bilder tagna från alla vinklar runt kristallen när gyroskopet snurrar den.

Avancerad matematik

Min kollega, Nicholas DeWeerd, sitter i närheten, analysera datauppsättningar som jag redan har samlat in. Han har lyckats ignorera de brakande larmen och blinkande lamporna i timmar, stirrar på diffraktionsbilder på sin skärm för att, i själva verket, förvandla röntgenbilderna från alla sidor av kristallen till en bild av atomerna inuti själva kristallen.

Under de senaste åren, denna process kan ha tagit år av noggranna beräkningar som gjorts för hand, men nu använder han dator modellering för att sätta ihop alla bitar. Han är vår forskargrupps inofficiella expert på denna del av pusslet, och han älskar det. "Det är som jul!" Jag hör honom mumla, när han bläddrar igenom blinkande bilder av diffraktionsmönster.

Jag ler åt entusiasmen han har lyckats behålla så sent på natten, när jag eldar synkotronen för att få mina bilder av kristallen uppe i station B. Jag håller andan när diffraktionsmönster från de första vinklarna dyker upp på skärmen. Alla kristaller skiljer sig inte åt, även om jag har gjort allt perfekt. Ofta beror det på att varje kristall består av massor av ännu mindre kristaller som sitter ihop, eller kristaller som innehåller för många föroreningar för att bilda ett upprepande kristallint mönster som vi kan matematiskt lösa.

Om den här inte ger tydliga bilder, Jag måste börja om och sätta upp en till. Lyckligtvis, I detta fall, de första bilderna som dyker upp visar ljusa, tydliga diffraktionsfläckar. Jag ler och lutar mig tillbaka för att samla in resten av datamängden. Nu när gyroskopet virvlar och röntgenstrålen spränger provet, Jag har några minuter att slappna av.

Jag skulle dricka kaffe för att vara vaken, men mina händer skakar redan av koffeinöverbelastning. Istället, Jag ringer till Nick:"Jag tar ett varv." Jag går fram till en grupp trehjulingar som sitter i närheten. Normalt används bara för att komma runt den stora byggnaden som innehåller synkrotron, Jag tycker att de är lika hjälpsamma för ett desperat försök att vakna med lite träning.

När jag rider, Jag tänker på kristallen monterad på gyroskopet. Jag har tillbringat månader i att syntetisera det, och snart får jag en bild på den. Med bilden, Jag får förståelse för om de ändringar som jag har gjort på det, vilket gör det något annorlunda än andra material jag har gjort tidigare, har förbättrat det alls. Om jag ser tecken på bättre packning eller ökade intermolekylära interaktioner, det kan betyda att molekylen är en bra kandidat för testning i elektroniska enheter.

Utmattad, men glad eftersom jag samlar användbar data, Jag trampar långsamt runt öglan, noterar att synkrotronen är mycket efterfrågad. När strållinjen är igång, den används 24/7, det är därför jag jobbar hela natten. Jag hade turen att få en tidslucka alls. På andra stationer, andra forskare som jag arbetar sent in på natten.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.