Druk 3D w krystalografii – wsparcie polskiego zespołu badawczego w SOLEIL

Zespół naukowców z dr Anną Makal oraz Romanem Gajdą (z grupy badawczej profesora Krzysztofa Woźniaka) z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego (UW) przez trzy dni przeprowadzał badania, mające na celu śledzenie zmian rozkładu gęstości elektronowej w różnych cząsteczkach. Ich grupa badawcza otrzymała szansę skorzystania z jednego z najlepszych synchrotronów na Świecie. Urządzenie tego typu znajduje się we Francji, pod Paryżem, w SOLEIL. Prace badawcze naukowców zostały w kryzysowym momencie wsparte przez technologię druku 3D i szybki wydruk niezbędnej części, która została stworzona w Sygnis New Technologies.

Badacze z Uniwersytetu Warszawskiego dostali wyjątkową szansę na przeprowadzenie badań w zagranicznym ośrodku badawczym, gdzie przez trzy doby mogli korzystać z narzędzi krystalograficznych. Wszystkie ich starania oraz skrupulatnie zaplanowane badania mogły zostać zniweczone przez techniczny problem z niewielkim adapterem, który nie pasował do urżądzeń na stacji pomiarowej. Ze swoim problemem zwrócili się do firmy Sygnis New Technologies. Sygnis w ekspresowym tempie wydrukowało brakujący element. Dzięki procesom szybkiego prototypowania, technolodzy zaplanowali, zaprojektowali i dostarczyli niezbędny adapter.

Rysunek 1 Synchrotron SOLEIL
Źródło: L. Persin - CAVOK Productionction

Co Ci naukowcy właściwie robią?

Synchrotron w SOLEIL (Source optimisée de lumière d’énergie intermédiaire du LURE) jest źródłem promieniowania – dzięki jego konstrukcji można otrzymać promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie: od podczerwieni do bardzo twardego promieniowania rentgenowskiego. Jego konstrukcję można sobie wyobrażać w ten sposób: elektrony poruszające się po bardzo dużym okręgu (o długości nawet kilkuset metrów) zostają rozpędzone do prędkości bliskich prędkości światła, dzięki czemu zaczynają one emitować interesujące nas promieniowanie, wykorzystywane w zbudowanych wokół okręgu stacjach pomiarowych dedykowanych do różnego typu eksperymentów. W Europie jest kilkanaście takich obiektów – różnią się pomiędzy sobą możliwą do uzyskania długością fali (wyjaśnimy sobie to za chwilę), m.in.: „Diamond” na Wyspach Brytyjskich, „PETRA” w Niemczech, „MAX IV” w Szwedzkim Lund, a także „SOLARIS” w Polsce. Natomiast, jeden z najlepszych synchrotronów na Świecie, „Advanced Photon Source”, znajduje się w Chicago, USA.

Na synchrotronie w SOLEIL można przeprowadzać szeroką gamę eksperymentów, np. spektroskopowe – czyli sprawdzanie składu materiału, oraz krystalograficzne – możemy badać strukturę wewnętrzną materiału, to w jaki sposób układają się atomy w krysztale i jak struktura zmienia się pod wpływem czynników zewnętrznych. Podgrupa eksperymentów takich, jak te przeprowadzane przez zespół badawczy z UW, nazywana krystalografią pod wysokim ciśnieniem, sprowadza się do tego, że materiały są poddawane ciśnieniu od kilku do kilkudziesięciu gigapaskali [GPa] (1 gigapaskal odpowiada 10 tysiącom atmosfer[1]). Komory ciśnieniowe użyte podczas opisywanych badań są w stanie osiągnąć kilkanaście [GPa]. Jest to ciśnienie porównywalne z tym, jakie na obiekt oddziaływałoby na dnie rowu Mariańskiego albo jeszcze głębiej w powłoce Ziemi.

Synchrotron w SOLEIL jest układem stacji badawczych, a każda z nich jest dedykowana do innego rodzaju badań, np. materiałowych. W laboratoriach na UW również znajdują się urządzenia zwane dyfraktometrami, na których można wykonywać pomiary, ale występują ograniczenia w zakresie długości możliwej do uzyskania fali. Jeśli dysponujemy, np. lampą molibdenową, długość promieniowania wynosi 0,73 Å (angstrema)[2]. Z kolei przy źródle srebrowym możemy uzyskać 0,56 angstrema. Im krótsza fala, tym większa rozdzielczość i z tym większą dokładnością możemy mierzyć interesujące nas parametry. Na Synchrotronie jest bardzo wysokoenergetyczna wiązka, która ma 30 tysięcy keV (kiloelektronowoltów), co przekłada się na 0,41 angstrema. To pozwala uzyskiwać wyniki o bardzo dużej rozdzielczości[3]. Przez analogię – przed lotem sondy kosmicznej New Horizons, astronomowie dysponowali zdjęciami Plutona, które miały 6 pikseli. Dzięki fotografiom wykonanym przez sondę, mogli zobaczyć obraz powierzchni planety w HD – to znaczy, że te zdjęcia miały już 2 miliony pikseli. Jednym słowem, dzięki wyprawie do Synchrotronu możemy zobaczyć więcej i dokładniej.

[1] „Atmosfera” – odpowiada średniemu ciśnieniu atmosferycznemu na poziomie morza na Ziemi.

[2] Jednostka długości równa 10−10 m. Nie jest jednostką układu SI. Służy do liczbowego wyrażania wartości bardzo małych długości, porównywalnych z rozmiarami atomów. Często stosowany w chemii i fizyce przy opisywaniu obiektów i zjawisk zachodzących w skali atomowej, gdzie posługiwanie się jednostkami układu SI wymagałoby używania ułamków (1 Å = 0,1 nm).

[3] Rozdzielczość w tym przypadku możemy interpretować jak rozdzielczość monitora. Im większa jest ta wartość, tym drobniejsze szczegóły w kontekście struktury krystalograficznej, czyli struktury cząsteczki i rozkładu gęstości elektronowej, jesteśmy w stanie zobaczyć. Pozwala to określić nie tylko gdzie znajdują się atomy, ale też jak wyglądają wiązania pomiędzy nimi.

Rysunek 2 Adapter drukowany w 3D
Źródło Sygnis

Adapter potrzebny od zaraz

Synchrotron w SOLEIL to niezależna francuska instytucja badawcza. Zespoły z całego świata aplikują o czas pomiarowy w tym ośrodku w procedurze konkursowej.  Projekty oceniane są przez zespół niezależnych naukowców. Im bardziej innowacyjny, nowatorski i „wyzywający” projekt, tym większe ma szanse na wygraną. Badaczom z UW się to udało, dostali 3 dni czasu pomiarowego na jednej ze stacji badawczych – CRISTAL. Wyzwaniem dla nas było to, żeby w 72 godziny wykonać jak najwięcej eksperymentów. Liczyliśmy się z sytuacją, w której po przyjeździe na stację musielibyśmy czekać pół dnia, aż personel na stacji przygotowałby nam stosowną przejściówkę, tym bardziej, że nasz przyjazd wypadał na 9-11 listopada, czyli nie dość, że na weekend, to w dodatku w święto narodowe – wspomina dr Anna Makal.

Na synchrotronie w SOLEIL, na stacji pomiarowej CRISTAL, możliwe są pomiary rentgenograficzne pod zwiększonym ciśnieniem. Podwyższone ciśnienie uzyskiwane jest dzięki zamknięciu próbki (np. monokryształ badanej substancji) w tzw. komorze ciśnieniowej z kowadełkami diamentowymi (Diamond Anvil Cell). Wytwarzanie wysokiego ciśnienia sprowadza się do tego, że wspomnianą próbkę ściska się pomiędzy dwoma diamentami. Proces nie wpływa na temperaturę. Komora zbudowana jest w taki sposób, że istnieje możliwość jej umocowania na goniometrze znajdującym się na linii pomiarowej. Goniometr ten jednak różni się znacząco od narzędzia używanego przez zespół z UW gdzie badacze korzystają w laboratorium z tzw. dyfraktometru czterokołowego.

Komory dostępne na miejscu nie odpowiadały naszym badaczom, w związku z czym chcieli skorzystać ze swojej. Niestety, komora nie była dostosowana do tego, co mogła zaoferować stacja pomiarowa, co wymusiło użycie adaptera pomiędzy komorą badaczy, a stanowiskiem eksperymentalnym. Właśnie w tym momencie pomoc druku 3D oraz technologów z Sygnis New Technologies okazała się bezcenna. W bardzo krótkim czasie adapter niezbędny do poprawnego działania urządzeń został zaprojektowany i wydrukowany w technologii FDM. Materiałem, z którego wykonano przdmiot było PLA (polilaktyd) w kolorze złotym i srebrnym. Cała praca została wykonana z niezwykłą dokładnością – dzięki szybkiemu prototypowaniu i kilkukrotnej iteracji modelu udało się wesprzeć naukowców UW. Przy produkcji zostały wykorzystane maszyny Flashforge. Wydruk został stworzony w oparciu o plany i projekty stworzone przez Sygnis w taki sposób, żeby pasował do zaplanowanych doświadczeń. Dzięki wsparciu Sygnis , grupa badaczy mogła w pełni wykorzystać czas, jaki dostali w SOLEIL. Druk 3D pozwolił ekspresowo zaprojektować, sprototypować i dostarczyć element, którego wyprodukowanie w inny sposób w tak krótkim czasie, nie byłoby możliwe.

Ktoś nie śpi, aby spać mógł ktoś

Był to pierwszy taki wyjazd naszej grupy badawczej. Był on ważny z tego względu, że miał na celu sprawdzenie czy interesujący nas typ eksperymentu da się przeprowadzić na tej konkretnej stacji. Byłoby to wygodne z kilku względów – stacja znajduje się we Francji, a więc stosunkowo niedaleko, dojazd jest łatwy, w prosty sposób można w krótkim czasie zorganizować i przeprowadzić tam eksperyment. Podzieliliśmy się na grupy i maksymalnie wykorzystaliśmy oferowany nam czas, wyznaczając dwuosobowe zmiany 12-godzinne. Bardzo nam zależało na tym, żeby nasze próby mogły się odbyć – opisuje dr Makal.

Teraz zespół badawczy z UW jest w trakcie planowania kolejnych eksperymentów. Wyniki ostatnich badań zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie naukowym IUCrJ pod tytułem „Experimental Charge Density of Grossular Under Pressure – a Feasibility Study”. Z wynikami eksperymentów pojawią się również na konferencjach międzynarodowych, np. konferencji Europejskiej Unii Krystalograficznej i Międzynarodowej Unii Krystalograficznej. – Pierwszy wyjazd pokazał nam, że stacja badawcza w SOLEIL spełnia nasze potrzeby. Następnym razem przejdziemy do badań konkretnych materiałów, np. granatów. Planujemy znów pojechać w cztery osoby. To najbardziej optymalny układ – dodaje dr Anna Makal.

Źródło (c) V. Moncorgé - Synchrotron SOLEIL

Patrz trochę szerzej

Doktorzy Anna Makal oraz Roman Gajda z grupy badawczej prof. Krzysztofa Woźniaka prowadzą tzw. badania podstawowe. Żeby uzmysłowić sobie znaczenie ich pracy, można przytoczyć przykład badań ciśnieniowych[4], mających na celu sprawdzenie czy dana substancja farmaceutyczna będzie się nadawała do umieszczenia w tabletkach. Tego typu testy dają również podstawy dla wytwórstwa różnego rodzaju czujników. Inny dział badań, którymi w ostatnim czasie zajmuje się dr Anna Makal, obejmuje materiały fluorescencyjne. Jej badania koncentrują się nad tym, jak emisja światła się zmieni, jeśli te substancje zostaną poddane zmiennemu ciśnieniu. W SOLEIL naukowcy zajmowali się śledzeniem przepływu ładunku, nie za pomocą interpretacji danych spektroskopowych, ale w taki sposób, by móc rozrysować dokładną mapę wędrówki elektronów. Właśnie do tego potrzebna jest wysoka rozdzielczość.

W dłuższej perspektywie, badanie przepływu elektronów wpływa na podstawy produkcji diod, elementów światłoczułych, ogniw fotowoltaicznych i odnawialnych źródeł energii. Tego typu eksperymenty, przeprowadzane m.in. przez warszawski zespół naukowców, wpływając na rozwój innowacji w Polsce, przyczyniają się do przełomów w nauce, a w efekcie końcowym do zmiany otaczającego nas świata.

[4]                     Badania ciśnieniowe sprawdzają w jaki sposób struktura materiału reaguje na ciśnienie.