Dwa sposoby patrzenia na atomy

Co je łączy

Obie sondy działają na tej samej podstawowej zasadzie. Wiązka trafia w próbkę, a sposób, w jaki się rozprasza, czyli odchyla w różnych kierunkach, zależy od ułożenia atomów w środku. Żeby w ten sposób „zobaczyć” atomy, długość fali musi być zbliżona do odległości między nimi. Promieniowanie rentgenowskie z ESRF ma długość fali około 0,1 nanometra; według ILL długość fali neutronu termicznego jest rzędu angstremu, czyli również 0,1 nanometra. Obie mają więc odpowiednią „skalę”.

Elektrony kontra jądra

Jedna z broszur ILL ujmuje różnicę prosto: promieniowanie rentgenowskie lokalizuje elektrony atomów, a neutrony wskazują położenie jąder. Ciężkie atomy mają wiele elektronów i są dobrze widoczne w promieniowaniu rentgenowskim. Lekkie mają ich niewiele, więc trudno je w ten sposób zobaczyć.

Szukanie wodoru

Najlepszy przykład to wodór. Silnie rozprasza neutrony, a dla promieniowania rentgenowskiego jest prawie niewidoczny. Materiały biologiczne są bogate w wodór i inne lekkie pierwiastki, więc doskonale nadają się do badań neutronowych. Neutrony odróżniają też izotopy, czyli atomy tego samego pierwiastka o różnych jądrach. Dlatego na kampusie w Grenoble działają laboratoria, które w próbkach biologicznych zastępują zwykły wodór deuterem.

Ma to praktyczne znaczenie. Przegląd badań z biologii strukturalnej na kampusie w Grenoble podaje, że krystalografia neutronowa pozwala lokalizować atomy wodoru i deuteru w dużych cząsteczkach biologicznych z rozdzielczością od 1,5 do 2,5 angstremu, w temperaturze pokojowej i bez uszkodzeń radiacyjnych. Pomaga to zrozumieć, jak działają enzymy i jak cząsteczki leków wiążą się ze swoimi celami.

Podobnie jest z bateriami: jony wodoru i litu uwięzione w elektrodach dobrze rozpraszają neutrony, więc można je zlokalizować wewnątrz materiału.

Głęboko i delikatnie

Neutrony wnikają głęboko w materiały, głębiej niż promieniowanie rentgenowskie. Inżynierowie wykorzystują to do pomiaru naprężeń wewnątrz metalowych części bez ich rozcinania, bo pomiar nie niszczy próbki. ILL podaje jako przykład szyny kolejowe, a wśród tematów badanych neutronami wymienia też twardnienie i korozję betonu.

Maleńkie magnesy

Neutrony zachowują się też jak mikroskopijne magnesy. To czyni je wyjątkowym narzędziem do badania struktury magnetycznej materiałów – dziedziny, w której Grenoble ma długą tradycję: Louis Néel, jeden z założycieli ILL, dostał w 1970 roku Nagrodę Nobla za odkrycia w dziedzinie magnetyzmu. ILL wymienia materiały magnetyczne dla przyszłych technologii informacyjnych wśród tematów badanych za pomocą neutronów.

Atomy w ruchu

Neutrony potrafią więcej niż tylko lokalizować atomy. Rozpraszając się na próbce, mogą stracić lub zyskać odrobinę energii, a pomiar tej zmiany – rozpraszanie nieelastyczne – ujawnia dynamikę procesów zachodzących w środku. Promieniowanie rentgenowskie ma własny sposób śledzenia ruchu: światło synchrotronowe jest niezwykle jasne i przychodzi w krótkich błyskach, co według ESRF pozwala „filmować” położenie i ruch atomów.

Coś za coś

Żadna z sond nie robi wszystkiego. ESRF podkreśla, że bardzo intensywne promieniowanie rentgenowskie nadaje się do małych próbek i szybkich procesów. Neutrony mają własne atuty: przegląd badań na kampusie w Grenoble zwraca uwagę, że krystalografia neutronowa zbiera dane bez uszkodzeń radiacyjnych. Za to czasu pomiarowego na neutronach brakuje: ILL podaje, że może przyjąć tylko mniej więcej połowę z blisko 1500 wniosków składanych co roku.

Po co obie metody

ILL opisuje techniki neutronowe jako uzupełnienie rentgenowskich: obrazowanie neutronowe obok rentgenowskiego, niskokątowe rozpraszanie neutronów obok jego rentgenowskiego odpowiednika. Jeden z instrumentów ILL, D22, łączy oba rodzaje rozpraszania niskokątowego. W Grenoble tę samą próbkę można zmierzyć promieniowaniem rentgenowskim i neutronami na jednym kampusie. Oba urządzenia opisujemy na stronach Europejski synchrotron i Europejskie źródło neutronów, a łączący je kampus na stronie Jeden kampus, cztery instytuty.