Nhìn thấu "tâm can" nguyên tử với máy laser tia X lớn nhất thế giới

Máy laser tia X lớn nhất thế giới và sáng gấp 1 tỷ lần các thiết bị hiện có sẽ cho phép các nhà khoa học nhìn thấu hoạt động bên trong của các hạt nguyên tử, virus hay các phản ứng hóa học.

Máy laser tia X lớn nhất thế giới, XFEL đã chính thức đi vào hoạt động từ tháng 9 năm nay.

Các hạt nguyên tử siêu nhỏ di chuyển với tốc độ nhanh đến mức mắt người và hầu hết các thiết bị hiện nay không thể thấy rõ. Điều này có nghĩa là phần lớn những gì đang diễn ra trong "thế giới" bé nhỏ này vẫn đang nằm trong vòng bí ẩn. Mới đây, cỗ máy laser tia X lớn nhất thế giới đã chính thức đi vào hoạt động tại Đức, hứa hẹn sẽ giải mã những bí ẩn này và mang lại ánh sáng mới cho ngành khoa học nguyên tử.

Thiết bị có tên gọi European X-ray Free Electron Laser (XFEL) sẽ tạo ra những tia laser cực mạnh với tốc độ 27,000 lần/giây. XFEL là một máy gia tốc thẳng siêu dẫn được đặt trong tổ hợp đường hầm dài 3,4 km, ở độ sâu 40 m phía dưới thành phố Hamburg và thị trấn Schenefeld ở gần đó.

Các nhà khoa học thuộc dự án XFEL Châu Âu cho biết, những chớp sáng tia X cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên trong lịch sử có thể nhìn thấu, chụp ảnh và quay phim vật chất ở kích thước nguyên tử. Cỗ máy giúp mô tả các chi tiết nguyên tử của virus, chụp ảnh 3 chiều sự hình thành các tế bào hay các phản ứng hóa học. 

Giáo sư Robert Feidenhans, người đứng đầu dự án, cho biết: “Máy laser tia X khổng lồ này là sự kết hợp giữa máy ảnh và kính hiển vi, giúp cho việc quan sát chi tiết siêu vi và các quy trình vận hành trong thế giới nguyên tử trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết”. 

XFEL có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong y học, việc quét hình ảnh các phân tử sinh học cho phép nghiên cứu sâu hơn về các liệu pháp điều trị bệnh. Trong lĩnh vực xây dựng, cỗ máy cho phép nhìn thấu bên trong vật liệu xây dựng để tìm hiểu nguyên nhân của các vết nứt. Các chùm ánh sáng cũng có thể hội tụ nhằm tạo ra áp suất và nhiệt độ cực mạnh để nghiên cứu quá trình xảy ra bên trong lõi Trái Đất.

Bắt kịp tốc độ ánh sáng

XFEL có thể nhìn thấu mọi thứ ở kích thước nano. (Kích thước một sợi tóc của con người có độ dày khoảng 100.000 nanomet).

Cỗ máy hoạt động bằng cách chiếu tia laser cực mạnh vào kim loại khiến các hạt electron bay xuyên qua một máy gia tốc siêu dẫn dài nhất thế giới (1,7 km). Khi các hạt electron này bay qua ống giảm nhiệt (xuống -271 độ C) chúng sẽ được tích điện bằng lò vi sóng để đạt được tốc độ ánh sáng. Một dãy nam châm được bố trí xen kẽ sẽ đưa electron vào xuống một đường dốc chữ chi khép kín.

Cỗ máy được đặt trong tổ hợp đường hầm dài 3,4 km, ở độ sâu 40 m phía dưới thành phố Hamburg và thị trấn Schenefeld, Đức.

Các hạt electron sau đó được tăng tốc rồi nén chặt vào vô số đĩa siêu mỏng, cho phép chúng phát ra ánh sáng đồng bộ và tạo ra những tia sáng laser X siêu mạnh mẽ. Khi chiếu xuyên qua vật chất, chúng tạo ra chuỗi hình ảnh sắc nét giống như chụp với đèn flash với tốc độ chụp 1/1tỷ giây. Ngoài ra chúng còn có thể tạo ra hình ảnh 3D hoặc phim.

Nhiều quốc gia trên thế giới sử dụng những cỗ máy tròn gọi là synchrotron để làm điều tương tự. Nhưng ánh sáng do XFEL phát ra sáng gấp một tỷ lần so với những thiết bị hiện có. Ngoài ra, XFEL còn phát ra các chớp sáng trong thời gian siêu nhanh. Cỗ máy phóng ra một nghìn tỷ photon tia X trong một nhịp chỉ kéo dài 50 phemtô giây (0,000.000.000.000.05 giây) và có thể lặp lại 27.000 lần trên một giây.

"Chúng tôi kỳ vọng XFEL có thể chụp ảnh một hạt đơn lẻ. Bạn chỉ cần đặt một tổ hợp protein hoặc virus vào luồng sáng. Thực thể sinh học sẽ phát tán những photon để bạn chụp lại hình dáng của nó", giáo sư Elspeth Garman ở Đại học Oxford, Anh, thành viên dự án, cho biết.

Dự án hàng tỷ USD

Cỗ máy này được chế tạo trong suốt 8 năm với số vốn đầu tư lên đến 1,5 tỉ euro (1,7 tỷ USD) từ 11 quốc gia trên thế giới. Đây được đánh giá là một trong những dự án tham vọng nhất của Châu Âu. XFEL tự hào nằm trong nhóm những cỗ máy siêu việt trên thế giới với độ sáng gấp hàng tỷ lần tia X thông thường.

Bỏ qua những căng thẳng về địa chính trị, Đức và Nga đã hợp tác nghiên cứu cho dự án này với vốn đầu tư của Đức là 58% và Nga là 27%. Theo sau là các quốc gia khác như Đan Mạch, Pháp, Hungary, Ý, Ba Lan, Slovakia, Tây Ban Nha, Thụy Điển vàThụy Sĩ với vốn đầu tư khoảng 1-3%. Anh cũng đang trong quá trình gia nhập vào dự án.

Dự án được thực hiện bởi trung tâm nghiên cứu Hamburges Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), nơi chuyên vận hành máy gia tốc hạt từ những năm 1960.

Theo Khampha.vn