Diffraktion och interferens

Nästa post* i serien om de båda Natureartiklarna handlar om diffraktion, och speciellt om hur man kan använda diffraktion för att få fram strukturen hos en kristall.

Diffraktion betyder böjning av vågor och är något som händer när ljusvågor stöter emot ett hinder, som t.ex. en liten spalt, ett hårstrå eller går in i ett material med annat brytningsindex. Att olika våglängder böjs olika mycket ger upphov till det färgade mönster som syns när ljus träffas en CD-skiva. Om ljus faller in mot en liten öppning så kommer det att böjas runt kanten på öppningen. 

Interferens av två vågor i fas och helt
ur fas. Bild från Wikipedia.

Interferens är när två vågor summeras. Om vågorna är i fas ger de en högre resulterande våg. Om de har samma våglängd och är helt ur fas kan de släcka ut varandra.

Diffraktions- och interferensmönster i
dubbelspalt. Bild från Wikipedia.

Samverkan mellan interferens och diffraktion ger upphov till de mönster som syns i t.ex. ett dubbelspaltexperiment. Ljus från den ena spalten släcker ut ljuset från den andra i vissa riktningar och förstärker det i andra.

Braggspridning i två kristallplan.
Bild från Wikipedia.

I en kristall sitter atomerna ordnade i ett bestämt mönster som upprepas om och om igen. När man tittar in i kristallen från olika riktningar ser atomerna ut att vara ordnade i plan, ungefär som när man ser gravstenar på rad på militärkyrkogårdar. När ljus träffar en kristall kommer en del av ljuset att studsa mot det första atomplanet. En del tränger igenom det första kristallplanet och studsar mot det andra. Ytterligare en del studsar mot det tredje, o.s.v. Ljuset som reflekteras från de olika planen kommer att interferera och släcka ut varandra om inte skillnaden i sträcka mellan plan n och plan n+1 är exakt en multipel av en våglängd. Det här kallas för Braggs lag efter William Henry Bragg och William Lawrence Bragg som fick Nobelpriset för sina studier av kristallstrukturer.

Exempel på diffraktionsmönster
från olika kristallstrukturer.
Bild från Penn State.

Skillnaden i väglängd är beroende av vinkeln ljuset sprids i och på avståndet mellan planen. Man kommer alltså att se spritt ljus bara i vissa speciella vinklar från varje kombination av kristallplan. Genom att studera i vilka riktningar ljuset sprids kan man beräkna hur kristallstrukturen ser ut.

Men, eftersom avståndet mellan atomplanen är väldigt litet och det krävs att våglängder är ungefär den samma som avståndet mellan planen fungerar det inte att använda synligt ljus för att undersöka kristallstrukturer. Istället får man använda röntgenljus med en våglängd mindre än en nanometer.

* Lite senare än beräknat, men jag får skylla på att det kändes högre prioriterat att svara på en granskningsrapport.

När kollade du innehållsförteckningen senast?

Förra veckan sände Uppdrag granskning ett program om "nanoteknikens okända effekter på hälsan". Om detta kan man säga mycket (bland annat att man verkade använda nanoteknik=nanopartiklar vilket inte på något sätt är korrekt), och rätt många människor har uttryckt sin skepsis mot "nanopartiklar" i kosmetika efter detta program. Det får man förstås gärna vara tveksam till (och jag tycker att man ska ta människors "kemikalierädsla" på allvar, men jag tycker inte att man ska underblåsa densamma med tendentiösa och inte helt välunderbyggda reportage i media).

Hur som helst, reportaget och kommentarerna fick mig att fundera på om de som är rädda för nanopartiklarna känner sig helt bekväma med alla andra kosmetiska produkter de använder. Så nedan följer innehållsförteckningarna* från två produkter som fanns lättillgängliga i mitt eget badrum. Den första använder jag dagligen, den andra är ett varuprov som ännu är oöppnat. Någon som vågar sig på gissa vad det är för produkter?

Produkt 1: vatten, isopropylpalmitat, sorbitol, lanolin, glycerylstearat, cetylestrar, steareth-2 (en polyetylenglykoleter), PEG-100 stearat (PEG=polyetylenglykol), cerasin, trietanolamin, tocoferylacetatsteareth-20, carbomer, metylparaben, parfym, bensylbensoat, butylparaben, etylparaben, hydroxycitronellal, isobutylparaben, propylparaben, limonen, geraniol, linalool, citronellol, kanelalkohol, alfa-isometyljonon

Produkt 2: vatten, dietylhexylkarbonat, canola, glycerin, polyglycerol-3 metylglukosdistearat, cetearyl isononate, glycerylstearat, butyrospermum parkii, cetearylalkohol, hydrogenerad coco-glycerider, natrium hyaluronate, pantenol, hydroxyetylacrylat/natrium akryldimetyl taurat copolymer, squalane, tocoferylacetat, dimetikon, PEG-100 stearat, natriumcitrat, xanthangummi, allantoin, polysorbat 60, citronsyra, ceramid 3, ceramid 6II, ceramid 1, fytosfingosin, kolesterol, carbomer, natrium laurayl lactylat, metylsilanol mannuronat, betain, tocoferol, natriumlaktat, natrium pca, glycin, fruktos, urea, niacinamid, inositol, mjölksyra, natriumbensoat, metylparaben, natriummetylparaben, propylparaben, fenoxyetanol, sorbinsyra

*Jag har försökt översätta till svenska, men kan ha missat på något ställe. Jag vill också påpeka att en del namn är trivialnamn även om de låter "kemiska".

Frielektronlasrar

Det mest utmärkande draget för en laser, men kanske inte det man först tänker på, är att ljuset den skickar ut är väldigt koherent. Koherens är en egenskap hos en vågor som talar om hur väl korrelerad en våg är med en annan våg eller med sig själv. Enkelt uttryckt innebär koherens att om man undersöker en våg på en plats kan man säga hur den kommer att se ut på en annan plats (rumskoherens) eller på samma plats vid en annan tidpunkt (tidskoherens). Att vågor är koherenta är en förutsättning för att man skall kunna se fenomen som interferens.

I en typisk laser alstras koherent strålning genom stimulerad emission (därav "ser" i ordet laser -stimulated emission of radiation). Först ser man till att lasermediet, som kan vara en gas, en kristall, eller en halvledare, innehåller en stor andel atomer/molekyler/elektroner i ett speciellt exciterat tillstånd genom att pumpa det med energi från en extern källa. När en ljusvåg passerar genom lasermediet stimulerar den de exciterade partiklarna att skicka i väg ljus av samma fas och våglängd med resultatet att man får en förstärkt ljusvåg med samma egenskaper som den ursprungliga ("la" light amplification).

Undulator. 1. Magneter 2. Elektronstråle
3. Cyklotronstrålning. Bild från Wikipedia.

En frielektronlaser (FEL) fungerar efter en helt annan princip. När en laddad partikel, i det här fallet en elektron, böjs i ett magnetfält skickar den ut elektromagnetisk strålning, så kallad cyklotronstrålning (eller om energin hos partiklarna är hög - synchrotronstrålning). Genom att skicka in elektroner från en accelerator, med en hastighet juuust under ljushastigheten, i en s.k. undulator, en uppsättning magneter med alternerande polriktning, så kan man få elektronerna att röra sig i en oscillerande bana och skicka ut ljus i varje sväng. Denna teknik har utnyttjats länge i synchrotroner för att få fram ljus av hög intensitet. I en synchrotron är ljuset inte koherent. I en FEL kan man få fram koherent ljus genom att ha en längre undulator där elektronerna har tid att påverkas av fältet i det utsända ljuset. Elektronerna klumpas då ihop (microbunching) och skickar ut ljus koherent. Principen har varit känd länge, men tekniska problem har börjat överkommas endast de senaste åren.

I likhet med en synchrotron kan våglängden hos ljuset från en FEL varieras från någon ångström till millimeter, dvs från röntgen till mikrovågor. Röntgenljus går inte att alstra med några andra typer av lasrar eftersom det inte finns några material att tillverka de nödvändiga speglarna av. Ljuspulserna kan vara så korta som några tiotals femtosekunder (på 100 fs hinner ljus röra sig ca 30 µm eller ca radien på ett hårstrå) med en intensitet 10 miljarder gånger större än hos en synchrotron.

Världens kraftigaste FEL finns i Stanford där man byggde om den berömda acceleratorn på SLAC till en gigantisk FEL. Linac Coherent Light Source (LCLS), som togs i bruk i slutet av 2009, kan leverera ljus från 540 till 9000 eV (2.3 till 0.14 nm) med en pulsenergi på 2-3 mJ. Då pulslängden kan vara runt 100 fs ger det en effekt på 10 GW och en flödesdensitet på >10²⁰W/m² i röntgenområdet. Så korta intensiva röntgenpulser öppnar för mycket ny forskning, som vi skall se.

Men man är inte nöjda med det. I en läsvärd artikel från 2005¹ beskrivs metoder för att kunna nå ännu kortare pulser ner till hundratals attosekunder. Det skulle öppna ytterligare dörrar.


1 Feldhaus, J., Arthur, J. & Hastings, J. B. X-ray free-electron lasers. J. Phys. B 38, S799-S821 (2005).

Diffraktion, röntgen, protein, acceleratorer...

Två intressanta artiklar publicerades just back-to-back i Nature [1,2]. Båda artiklarna handlar om samma ämne och är  till stor del skrivna av samma författare. Det rör sig om röntgendiffraktion av biopartiklar. Artiklarna är intressanta av flera anledningar. Den första anledningen är så klart själva resultaten. Men för mig är det ändå hur många olika vetenskapsområden som är berörda som är det riktigt intressanta. Att artiklarna har drygt 80 olika författare från 20 lab runt om i världen (varav några svenska) understryker det. Om man skulle sammanfatta artiklarna i ett par meningar skulle man kunna säga att forskarna använt en frielektronlaser (FEL) för att bestråla virus eller nanokristaller av biopartiklar. Man kan sedan använda spridningen av ljuset, i det här fallet i röntgenområdet, för att beräkna kristallstrukturen hos de bestrålade partiklarna. Det nya är att genom att använda en FEL kan man göra mätningarna på mindre kristaller, eller som i [2] på enstaka virus.

Den aktuella forskningen är i sin komplexitet en guldgruva att välja bloggämnen ur. Till exempel:

• Hur funkar en laser, och vad tusan är en frielektronlaser
• Acceleratorer och deras fysik
• Vad är diffraktion och hur ger det kristallstrukturer
• Hur går det normalt till när man tar fram proteinstrukturer ur diffraktionsmönster
• Olika tidsskalor för energidistribution
• Massor av biologi... antar jag
• osv.

Jag tänkte under de närmaste dagarna (eller kanske veckan, beroende på arbetsbörda) skriva ett par bloggposter om några av ovanstående punkter, och lära mig något själv också. Sedan kan man återvända till artiklarna och kanske förstå vad som är så nytt och coolt som gör att det är värt inte en utan två Nature-artiklar.

UPPDATERING: På DESYs hemsida finns ett mycket bra pressmeddelande om artiklarna. Läsvärt för den som kan tyska.

UPPDATERING 2: Läs om frielektronlasrar.

[1] Chapman, H. N. et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nature 470, 73-77 (2011).
[2] Seibert, M. M. et al. Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser. Nature 470, 78-81 (2011).

Geparder har mer genetisk variation än man tidigare trott

I Biologiundervisning nämns ibland Geparden (Acinonyx jubatus) som ett exempel på ett djur som har mycket låg genetisk variation. Det borde man sluta med nu. En ny artikel i tidskriften Molecular Ecology visar nämligen att den genetiska variationen är större än man trott. Författarna visar också att Geparder från Asien är genetiskt mycket olika de som finns i Afrika och de asiatiska individerna bildar en egen grupp i släktträdet. Den asiatiska geparden är utrotningshotad och finns numera bara i Iran, men hade tidigare en mycket större utbredning. Även i Afrika är olika underarter av Geparder mycket olika varandra. Studien inkluderade både nutida geparder och historiskt material från museum. Huvudorsaken till att denna studie visar att det finns mer genetisk variation än man tidigare trott, är att den undersöker gepardpopulationer som aldrig förut undersökts genetiskt.

Referens:

Charruau et al (2011) Phylogeography, genetic structure and population divergence time of cheetahs in Africa and Asia: evidence for long-term geographic isolates. Molecular Ecology 20: 706-724.