Taigi štai trumpas priminimas: chemija žvelgia į mūsų fizinio pasaulio statybinius blokus, tokius kaip atomai, ir pokyčius, kuriuos jie patiria. Atomą sudaro iš protonų ir neutronų sudarytas branduolys, apsuptas debesies elektronų.
Neutronų išlaisvinimas
Bet yra kai kas, ko vidurinės mokyklos chemijos pamokos mūsų neišmokė: paprastas neutronas, randamas kiekvieno atomo, išskyrus vandenilio, branduolyje, gali – juo teisingai manipuliuojant – pateikti informacijos apie viską: nuo klimato krizės ir energijos iki sveikatos ir kvantinės kompiuterijos.
Vienas iš tokių būdų yra gana įspūdingas procesas, žinomas kaip skaidymas: didelės energijos dalelės destabilizuoja atomo branduolį, kuris savo ruožtu išskiria kai kuriuos jame esančius neutronus.
Kai pažabojami, šie naujai išlaisvinti neutronai gali būti naudojami kaip rentgeno spinduliai, siekiant nustatyti vidinę medžiagų struktūrą.
Šiuo metu Lunde, Švedijoje, statomas „European Spallation Source“ (ESS) įrenginys, kuris turėtų pradėti veikti 2027 m. Jo beprecedentis srauto ir spektro diapazonas yra nustatytas taip, kad jam pasiekus visas savo specifikacijas, jis taptų galingiausiu ir universaliausiu neutronų šaltiniu mokslui pasaulyje.
Įrenginio tikslas, pasak Jimmy Binderup Andersen, ESS inovacijų ir pramonės vadovo, yra „sukurti neutronus, neutronų pluoštą, kuris būtų naudojamas moksliniams tikslams“.
Kai įrenginys pradės veikti, mokslininkai iš visos Europos ir likusio pasaulio galės naudotis 15 skirtingų pluoštų linijų pagrindiniams moksliniams tyrimams atlikti.
Ne rentgeno spinduliai
Anot Andersen, neutronų pluoštas „nėra tas pats, kas rentgeno spinduliai, tačiau jis juos papildo ir naudoja keletą tų pačių fizikos dėsnių“.
Kaip ir rentgeno spinduliai, neutronai gali būti naudojami medžiagoms ir biologinėms sistemoms tirti. Tačiau jie sąveikauja su medžiagomis skirtingais būdais, nei fotonai didelės energijos rentgeno spinduliuose, ir todėl teikia skirtingą informaciją apie savo taikinius.
Pavyzdžiui, neutronų spinduliai gali suteikti informacijos apie ličio jonų baterijų vidinę dinamiką, atskleisti neaiškias senovės artefaktų detales arba paaiškinti bakterijų atsparumo antibiotikams mechanizmus. Jie taip pat gali būti naudojami fundamentaliajai fizikai tirti. Netgi kyla klausimas, „ko jie negali padaryti?“.
Neutronų bombardavimas
Vykdant ES finansuojamą projektą „BrightnESS-2“, kurį iš dalies koordinavo Andersen, ESS sukurtomis technologijomis buvo dalijamasi su Europos pramone, siekiant naudos visai visuomenei. Pavyzdžiui, kai kurios ESS pluošto linijoms sukurtos energijos sistemos galėtų būti naudingos atsinaujinančiosios energijos technologijoms, pavyzdžiui, vėjo jėgainėms.
Neseniai su ESS susisiekė Europos puslaidininkių gamintoja, besidominti spinduliuotės laukais, kuriuos gali generuoti neutronų šaltinis. Pasaulis, kuriame gyvename, nuolat bombarduojamas neutronais, kurie atsiranda, kai didelės energijos dalelės iš kosmoso, pavyzdžiui, kosminiai saulės spinduliai, susiduria su Žemės atmosfera. Laikui bėgant šis poveikis gali pažeisti elektrinius komponentus.
ESS gali imituoti šį neutronų bombardavimą, pavertęs jį daug greitesniu, todėl jį galima naudoti svarbių elektrinių komponentų, tokių kaip naudojami lėktuvuose, vėjo turbinose ir erdvėlaiviuose, ilgaamžiškumui išbandyti.
Dabar ESS bendradarbiauja su kitais mokslinių tyrimų institutais ir bendrovėmis, kad rastų galimybę ateityje naudoti tokį įrenginį kaip ESS, siekiant patenkinti tokius konkrečius pramonės poreikius.
ESS 2.0
Nors ESS įrenginys vis dar statomas, mokslininkai jau dirba prie jo atnaujinimo.
Kai ESS įrenginys pradės veikti, jis turės vieną moderatorių, tačiau ES finansuojamas projektas HighNESS kuria antrą moderatoriaus sistemą. Moderatoriai sulėtins neutronus, susidariusius skaidymo proceso metu, iki energijos lygio, kurį gali naudoti moksliniai prietaisai.
„Neutronų energija neutronų įrenginyje tikrai svarbi, nes priklausomai nuo neutronų energijos, galima naudoti įvairias fizikos rūšis“, – sakė projekto „HighNESS“ koordinatorė Valentina Santoro.
Nors pirmasis moderatorius užtikrins didelį ryškumą, kuris yra labai koncentruotas neutronų pluoštas, projekto „HighNESS“ sukurtas šaltinis suteiks didelį intensyvumą, kitaip tariant, didelį neutronų skaičių.
Du moderatoriai leis mokslininkams ištirti skirtingus tokių medžiagų, kaip polimerai, biomolekulės, skystieji metalai ir baterijos, dinamikos ir struktūros aspektus.
Esminė paslaptis
Antrasis moderatorius taip pat leis atlikti fundamentaliosios fizikos tyrinėjimus siekiant išbandyti ir pamatyti, kaip neutronas pirmą kartą tampa antineutronu.
„Tai labai įdomu, nes galima stebėti reiškinį, kai materija tampa antimaterija“, – sakė Santoro, kuri yra dalelių fizikė, dirbanti ESS. „Stebint tokį dalyką galima suprasti vieną iš didžiausių neišspręstų paslapčių: kodėl visatoje yra daugiau materijos nei antimaterijos?“.
Šis eksperimentas, Santoro teigimu, gali būti atliekamas tik ESS įrenginyje, nes jam reikia daug neutronų, o ESS turės didžiausią jų skaičių pasaulyje.
„Jums tereikia vieno neutrono, kuris tampa antineutronu, ir viskas – atradote procesą, kai materija tampa antimaterija“, – tvirtino Santoro.
Šiame straipsnyje paminėti tyrimai buvo finansuoti ES lėšomis. Straipsnis buvo publikuotas ES mokslinių tyrimų ir inovacijų žurnale „Horizon“.
