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Un sincrotrone in miniatura
I sincrotroni sono enormi strutture in grado di produrre fasci di raggi X intensi e di alta qualità per scopi scientifici. Di solito hanno le dimensioni di un campo da calcio e costano centinaia di milioni di dollari per costruirli e farli funzionare. Ma ora, i ricercatori di Tecnologie Lyncean , una startup di Palo Alto, in California, ha ridotto il sincrotrone alle dimensioni di una stanza. Questo sincrotrone in miniatura offre agli scienziati un nuovo modo per eseguire esperimenti a raggi X di alta qualità nei propri laboratori.
Radiografie a casa: Uno schema del sincrotrone in miniatura (in alto) mostra l'iniettore del fascio di elettroni (tubo verde) e l'anello di accumulo. Il fascio di elettroni circola intorno all'anello e si scontra con un impulso laser ad ogni giro, emettendo raffiche di raggi X. In basso: una vista dettagliata mostra i componenti del sincrotrone in miniatura, che si inserisce all'interno di una stanza.
Lyncean ha costruito un prototipo di sincrotrone e ne sta costruendo un altro da installare quest'anno al Istituto di ricerca Scripps a La Jolla, CA. Il nuovo sincrotrone sarà utilizzato dal Centro di tecnologie accelerate per la struttura da geni a 3D , che fa parte della Protein Structure Initiative del National Institutes of Health.
Lo strumento da tavolo non è potente come i grandi sincrotroni, afferma Ronald Ruth, presidente e capo scienziato di Lyncean. Ma d'altra parte, è molto più economico ed è molto compatto. Egli paragona i sincrotroni nazionali ai supercomputer, dove molti utenti devono competere per un tempo limitato su uno dei raggi. [I sincrotroni] si rivolgono allo stato dell'arte, dice Ruth. Spingono la busta. Ma il loro impatto è ampio quanto il numero di persone che sono disposte a viaggiare per andarci. Il sincrotrone in miniatura è più simile a un PC, dice, condiviso da pochi utenti e prontamente disponibile.
I raggi X sono utili per sondare le proprietà dei materiali, poiché la loro lunghezza d'onda è circa della stessa dimensione degli atomi e dei legami chimici tra di loro. Ad esempio, la cristallografia a raggi X è un metodo importante per determinare la struttura delle proteine. I raggi X diffrangono mentre attraversano un cristallo proteico, generando un caratteristico schema di interferenza. Analizzando il modello, gli scienziati possono dedurre la disposizione degli atomi e quindi determinare la struttura della proteina.
Per questo tipo di studi, la radiazione di sincrotrone presenta vantaggi rispetto alle normali sorgenti di raggi X: è cento milioni di volte più luminosa e altamente concentrata, il che consente esperimenti molto precisi e ad alta risoluzione. I sincrotroni producono anche una sorgente continua di raggi X, invece dei brevi lampi generati dai comuni tubi a raggi X. E la luce di un sincrotrone è sintonizzabile, quindi i ricercatori possono abbinare l'energia al materiale da sondare.
La qualità della luce del sincrotrone in miniatura è buona quanto quella delle grandi macchine, afferma Franz Pfeiffer, fisico presso l'Istituto Paul Scherrer e l'École Polytechnique Federale di Losanna, in Svizzera. Questo è ciò che lo rende così attraente, dice. [Esso] combina il vantaggio di avere qualcosa di relativamente piccolo con i vantaggi del raggio estremamente brillante disponibile attraverso i sincrotroni. È una cosa molto bella da avere.
Ruth determinò per la prima volta che un sincrotrone in miniatura sarebbe stato possibile alla fine degli anni '90, quando era professore allo Stanford Linear Accelerator Center. Ruth e uno studente laureato, Zhirong Huang, stavano cercando un modo per raffreddare i fasci di elettroni facendoli irradiare. Hanno scoperto che colpire i raggi con un laser non solo li raffreddava efficacemente, ma generava anche raggi X.
Questo effetto si è rivelato la chiave per ridurre le dimensioni del sincrotrone. I grandi sincrotroni utilizzano ondulatori magnetici che muovono il fascio di elettroni da un lato all'altro mentre circola attorno a un grande anello di accumulo. Ruth spiega che quell'oscillazione, dell'ordine di un centimetro, genera raggi X che vengono emessi su una tangente al cerchio, proprio come un riflettore rotante fa brillare la luce.
Il sincrotrone in miniatura utilizza solo un impulso laser in movimento che interagisce con il raggio di elettroni ogni volta che gira intorno all'anello di accumulo, che si adatta a un tavolo. L'oscillazione è piccola di un decimillesimo, solo un micrometro, e i raggi X vengono emessi in un singolo raggio.