Lasery rentgenowskie jako kluczowe mikroskopy przyszłości
Naukowcy z Berkeley Lab we współpracy z firmą TAU Systems dokonali znaczącego postępu w miniaturyzacji laserów rentgenowskich. To może być przełom, który zrewolucjonizuje nie tylko naukę, ale także medycynę, przemysł i technologie przyszłości. Lasery rentgenowskie to jedne z najbardziej zaawansowanych narzędzi badawczych, wykorzystywane m.in. do śledzenia ruchu atomów w czasie rzeczywistym, obrazowania struktur białek, badania reakcji chemicznych czy analizy nowych materiałów z niespotykaną dotąd precyzją. Ich potężna moc i zdolność do generowania ultrakrótkich impulsów światła pozwalają zajrzeć w głąb materii i to dosłownie w skali atomowej.
Czytaj też: Wielkie odejście od ropy? Nie będą użerać się z wodorem i postawią na inne paliwo
Aktualnie dostęp do takich urządzeń jest ekstremalnie ograniczony. Tradycyjne lasery rentgenowskie, takie jak te używane w laboratoriach synchrotronowych czy tzw. wolnych laserach elektronowych (XFEL), zajmują znaczne przestrzenie (jak pierwsze komputery), a na dodatek samo ich stworzenie i utrzymywanie jest drogie. Efekty tego są widoczne, bo w praktyce oznacza to, że tylko kilka ośrodków na świecie może sobie na nie pozwolić, a naukowcy muszą rezerwować dla siebie czas pomiarowy z wielomiesięcznym wyprzedzeniem. Właśnie dlatego miniaturyzacja tych systemów ma tak fundamentalne znaczenie. Przeniesienie technologii rentgenowskich do formatu mieszczącego się w typowym laboratorium może zdemokratyzować dostęp do zaawansowanych narzędzi badawczych. To z kolei może przyspieszyć rozwój nowych leków, lepiej zrozumieć choroby neurodegeneracyjne, poprawić obrazowanie medyczne, umożliwić testowanie materiałów na potrzeby energetyki czy lotnictwa – i to nie w ciągu lat, lecz tygodni.
Nowa era laserów rentgenowskich
Kluczem do tego osiągnięcia stał się akcelerator plazmowy laserowy (LPA), wykorzystujący unikalne właściwości zjonizowanej materii. Tradycyjne rozwiązania osiągają przyspieszenie rzędu 50 megawoltów na metr, a technologia plazmowa pozwala na osiągnięcie niewyobrażalnych dotąd 100 gigawoltów na metr, więc jest to różnica o trzy rzędy wielkości.
Wzbudziliśmy falę [gęstości elektronów] w plazmie, w której inne elektrony plazmy tła mogą się poruszać i przyspieszać około 1000 razy szybciej niż w akceleratorze. To właśnie ta zasada działania umożliwiła radykalną miniaturyzację – wyjaśnia mechanizm Jeroen van Tilborg z Berkeley Lab.
Skutki tej zmiany trudno przecenić. Urządzenia, które dotąd wymagały kilometrowych tuneli, mogą teraz funkcjonować w przestrzeni porównywalnej z niewielkim pomieszczeniem laboratoryjnym. Chociaż w tej kwestii brzmi to niemal jak science-fiction i marzenie nie do spełnienia, to naukowcy potwierdzili stabilność działania systemu w dziesiątkach kolejnych eksperymentów. Oczywiście nie oznacza to, że teraz każdy uniwersytet w ciągu kilku najbliższych lat zapewni sobie dostęp do laserów rentgenowskich na swoim terenie. Nowa technologia może wprawdzie do tego doprowadzić, ale realne wdrożenie zapewne potrwa jeszcze lata.
Czytaj też: Przegrzewające się panele słoneczne. Rozwiązali fotowoltaiczny problem i oniemieli przez wyniki
Pozostaje mieć nadzieję, że rzeczywiście nie jest to pierwszy i ostatni raz, kiedy słyszymy o tego rodzaju przełomie w dziedzinie zaawansowanych laserów rentgenowskich, bo dostęp do nich jest niezwykle ograniczony przez związaną z nimi horrendalną cenę. Europejski XFEL w Niemczech pochłonął około 1,22 miliarda euro (ponad 5,2 miliarda złotych), podczas gdy amerykański LCLS-II wymagał inwestycji sięgającej miliarda dolarów (około 4 miliardów złotych). Rozpowszechnienie tego typu narzędzia badawczego może z kolei pozwolić na znaczne rozwinięcie obrazowania biomolekuł w warunkach laboratoryjnych, analizy nanostruktur w materiałoznawstwie czy precyzyjną diagnostykę medyczną.
Musimy jednocześnie pamiętać, że miniaturyzacja to dopiero pierwszy krok – prawdziwym wyzwaniem będzie osiągnięcie niezawodności i opłacalności koniecznej do komercyjnego zastosowania. Tak się jednak składa, że cały projekt otrzymał wsparcie finansowe Departamentu Energii USA, Biura Podstawowych Nauk o Energii oraz Fundacji Gordona i Betty Moore’a. To świadczy o poważnym traktowaniu potencjału technologii przez środowisko naukowe. Jeśli uda się przełożyć laboratoryjne sukcesy na praktyczne rozwiązania, możemy stać u progu nowej ery w badaniu materii, choć droga od przełomu do powszechnego zastosowania bywa dłuższa, niż się początkowo wydaje.