Od kilometrowych tuneli do struktur mniejszych od włosa
Współczesne źródła promieniowania synchrotronowego to prawdziwe giganty. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN rozciąga się na 27 kilometrów, podczas gdy nawet mniejsze instalacje wymagają powierzchni porównywalnej z boiskiem piłkarskim. Te monumentalne konstrukcje są niezbędne do wytwarzania intensywnych wiązek promieniowania wykorzystywanego w zaawansowanych badaniach naukowych. Grupa kierowana przez Bifenga Lei we współpracy z Carstenem Welschem zaprojektowała urządzenie o kluczowych komponentach liczących zaledwie kilka mikrometrów. To mniej niż grubość pojedynczego ludzkiego włosa. Skala miniaturyzacji jest trudna do wyobrażenia, ponieważ mówimy o zmniejszeniu rozmiarów o miliony razy. Dla porównania, to tak jakby odległość z Warszawy do Gdańska skrócić do długości ziarnka piasku.
Nietypowe właściwości światła i nanomateriałów
Podstawę działania nowego urządzenia stanowi zjawisko zwane polarytonami plazmonów powierzchniowych. Gdy specjalnie przygotowany impuls laserowy oddziałuje z powierzchnią materiału, powstają charakterystyczne fale elektromagnetyczne. W przypadku nanorurek węglowych te fale tworzą wirujące pole elektryczne działające jak mikroskopijny lej. Elektrony uwięzione w takim polu poruszają się po spiralnych trajektoriach, przyspieszane przez potężne siły elektromagnetyczne. Kiedy cząstki poruszają się synchronicznie, emitują spójne promieniowanie, co może wzmocnić intensywność światła nawet stukrotnie. Mechanizm przypomina nieco chór śpiewaków: gdy wszyscy utrzymują ten sam rytm, powstały dźwięk jest znacznie donośniejszy niż suma pojedynczych głosów.
Czytaj też: Przełomowe odkrycie w CERN zaskoczyło fizyków. Znaleźli igłę w kosmicznym stogu siana
Nanorurki węglowe okazują się idealnym materiałem do tego typu zastosowań. Te cylindryczne struktury z atomów węgla ułożonych w charakterystyczne sześciokąty wytrzymują działanie pól elektrycznych setki razy silniejszych niż konwencjonalne akceleratory. Symulacje komputerowe wykonane przez zespół wskazują, że interakcja lasera z nanorurkami może generować pola o natężeniu sięgającym terawoltów na metr – wartości nieosiągalne dla obecnych technologii.
Szerszy dostęp do zaawansowanych technologii
Obecnie możliwość korzystania z intensywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego mają nieliczni. Naukowcy muszą konkurować o ograniczone przedziały czasowe w dużych ośrodkach synchrotronowych, często czekając wiele tygodni na zaledwie kilka godzin dostępu do wiązki. To poważne utrudnienie dla tempa badań w wielu dziedzinach nauki. Miniaturowe akceleratory mogłyby zasadniczo zmienić tę sytuację. Urządzenia dostępne w zwykłych szpitalach, na uczelniach czy w laboratoriach przemysłowych otworzyłyby drogę do zaawansowanych badań znacznie szerszemu gronu specjalistów.
Czytaj też: Fizycy odkryli nowy stan materii, który łamie dotychczasowe zasady. Elektrony wykazują niemożliwe zachowanie
W medycynie potencjał wydaje się szczególnie obiecujący. Technologia mogłaby umożliwić uzyskiwanie wyraźniejszych obrazów w mammografii oraz nowatorskie metody obrazowania tkanek miękkich z niespotykaną dotąd precyzją – wszystko bez konieczności stosowania kontrastu. Dla pacjentów oznaczałoby to szybszą i bezpieczniejszą diagnostykę. Przemysł farmaceutyczny również mógłby odnieść wymierne korzyści. Badacze uzyskaliby możliwość analizowania struktur białkowych we własnym zakresie, co znacząco przyspieszyłoby prace nad nowymi terapiami. W inżynierii materiałowej i półprzewodnikowej technologia pozwoliłaby na nieniszczące, szybkie testowanie delikatnych komponentów – kluczowe dla rozwoju nowoczesnej elektroniki.
Prace nad koncepcją wciąż znajdują się na etapie symulacji komputerowych, ale perspektywy wydają się realne. Niezbędne komponenty, takie jak zaawansowane lasery o kołowej polaryzacji i precyzyjnie wytworzone struktury nanorurek, są już dostępne w wyspecjalizowanych laboratoriach. Najbliższe miesiące powinny przynieść odpowiedź na pytanie, czy teoria sprawdzi się w praktyce, gdyż zespół planuje eksperymentalną weryfikację swojego pomysłu.