سه شنبه، 25 آذر ماه 1404 = 16-12 2025
چرا ۱۳ کشور با هم متحد شدند تا این میکروسکوپ غولپیکر را بسازند؟
در دشتهای سوئد، اتحادی از ۱۳ کشور قدرتمندترین میکروسکوپ تاریخ را میسازد تا با نوترونها به قلب اتم نگاه کند و آیندهی انرژی و پزشکی را تغییر دهد.
در دشتهای آرام و سرسبز لوند سوئد، سازهای مدرن و عظیم سر برآورده که قرار است نگاه بشر به جهان ماده را برای همیشه تغییر دهد. پروژه ESS یا «منبع اسپالاسیون اروپا»، حاصل اتحاد بیسابقه ۱۳ کشور است که با کنارگذاشتن مرزهای سیاسی، گرد هم آمدهاند تا قدرتمندترین «میکروسکوپ نوترونی» تاریخ را بسازند.
برخلاف میکروسکوپهای نوری، این ابرماشین عظیم با شلیک پروتونها با سرعتی نزدیک به نور به سمت یک چرخ تنگستنی ۵ تنی، طوفانی از نوترونها ایجاد میکند.
این ذرات خنثی کلید قفلهایی هستند که اشعه ایکس توان باز کردنشان را ندارد؛ آنها میتوانند به عمیقترین لایههای اتم نفوذ کنند و اسراری شگفتانگیز را فاش سازند. تصور کنید بتوانیم حرکت دقیق داروها در بدن یا رقص یونها در باتریهای نسل آینده را بهصورت زنده تماشا کنیم!
اینجا با یک شتابدهنده خطی پیچیده روبرو هستیم که مهندسی آن تلفیقی از مغناطیس، خلأ و بازوهای رباتیک است و جالبتر اینکه برخلاف راکتورهای هستهای، کاملاً ایمن بوده و حتی گرمای اتلافیاش خانههای شهر را گرم میکند. اما این غول علمی دقیقاً چگونه کار میکند و چرا دانشمندان معتقدند که پاسخ بزرگترین چالشهای انرژی و پزشکی قرن آینده، در دستان نوترونهای آزاد شده در این دشتهای سوئدی است؟
این سازه «میکروسکوپ غولپیکری» است که به جای نور از نوترون برای دیدن درون مواد استفاده میکند
ما انسانها وقتی میخواهیم چیزی را ببینیم، معمولاً به نور نیاز داریم، اما نور مرئی محدودیتهایی دارد. طولموج نور مرئی آنقدر بزرگ است که نمیتواند وارد فضای بین اتمها شود. مثلاینکه بخواهید با یک توپ فوتبال، نقشهای یک سکه کوچک را لمس کنید؛ توپ اصلاً به جزئیات سکه نمیرسد.
به همین دلیل دانشمندان مرکز ESS میخواهند بهجای نور، از نوترون استفاده کنند. نوترونها ذراتی خنثی هستند که میتوانند به شکلی جادویی به عمق مواد نفوذ کنند. برخلاف اشعه ایکس که بیشتر با الکترونهای اطراف اتم درگیر میشود، نوترونها مستقیم به سراغ هسته اتم میروند.
پس ESS در واقع یک میکروسکوپ نوترونی است. ما در آزمایشگاههای معمولی ابزارهای محدودی داریم، اما ESS طراحی شده تا قدرتمندترین منبع نوترونی جهان باشد. طبق تحلیل کانال The B1M دانشمندان با این ابزار میتوانند ساختار اتمی مواد را نه فقط بهصورت ایستا، بلکه در حال تغییر و حرکت ببینند.
تصور کنید دقیقاً در لحظهای که باتری شارژ میشود، یونهای لیتیوم را ببینید که چگونه بین الکترودها جابهجا میشوند، یا ببینید وقتی دارویی وارد بدن میشود، پروتئینها چطور تغییر شکل میدهند، مسائلی که با روشهای دیگر تقریباً غیرممکن است.
اما قبل از اینکه وارد تونلهای پیچیده شتابدهنده شویم، بیایید مرور سریعی بر ساختار اتم داشته باشیم: همه چیز در جهان، از هوایی که تنفس میکنید تا صفحهای که این متن را روی آن میخوانید، از اتم ساخته شده و اتمها هم خودشان از ذرات کوچکتری تشکیل شدهاند: پروتونها، نوترونها و الکترونها. پروتون و نوترون در مرکز (هسته) زندگی میکنند و الکترونها دور آنها میچرخند.
وقتی از سایز خیلیخیلی کوچک اتم حرف میزنیم، به این اشاره میکنیم که شعاع یک پروتون یا نوترون حدود یک کوادریلیونیم متر (یک فمتومتر) است. البته مغز انسان نمیتواند این عدد را تصور کند، پس با مثالی ملموستر جلو میرویم:
اگر یک اتم را آنقدر بزرگ کنیم که به اندازهی استادیوم فوتبال شود، سایز هسته اتم شبیه سکهی کوچکی در وسط زمین چمن خواهد بود و خود پروتونها و نوترونها؟ اندازهی آنها نهایتاً به حروف حک شده روی سکه میرسد!
حالا تصور کنید بقیه فضای استادیوم چقدر خالی است. نوترونها به دلیل خنثی بودن (نداشتن بار الکتریکی) میتوانند از فضای خالی و ابر الکترونی عبور کنند و مستقیم به سراغ سکهی وسط زمین بروند. این ویژگی نفوذپذیری، آنها را به کاوشگرهای بینظیری تبدیل میکند.
نوترونها از کجا میآیند؟
چالش اصلی این است که شما نمیتوانید نوترونها را از هوا بگیرید یا مثل سیب از درخت بچینید. نوترونها آزادانه در طبیعت پرسه نمیزنند و داخل هسته اتمها زندانی شدهاند. برای اینکه بتوانیم از آنها بهعنوان میکروسکوپ استفاده کنیم، باید راهی پیدا کنیم تا آنها را از زندان هسته آزاد کنیم.
در این مرحله مفهوم اسپالاسیون (Spallation) مطرح میشود؛ واژهای که در نام ESS هم وجود دارد. اسپالاسیون فرایندی است که در آن، ما با یک ذره پرانرژی (مثل پروتون) به هسته یک اتم سنگین ضربه میزنیم. این ضربه آنقدر محکم است که باعث میشود هسته اتم تراشیده شود و تعدادی نوترون به بیرون پرتاب شوند.
مهندسان پروژه ESS برای شرح فرایند از تشبیه سادهای استفاده میکنند: فرض کنید تکهای بتن دارید و با یک پتک سنگین (پروتون) محکم به آن میکوبید. تکههای کوچک سیمان و سنگریزهها (نوترونها) به اطراف پرتاب میشوند. این دقیقاً کاری است که در ESS انجام میشود.
به گزارش زومیت، هیچکس امروز نمیداند ESS به چه کشفیاتی منجر خواهد شد. همانطور که پیشگامان برق هرگز آیندهای با اینترنت و تلفن هوشمند را پیشبینی نمیکردند، دانشمندان ESS هم نمیدانند کشفیاتشان ۵۰ سال دیگر چه شکلی به زندگی ما میدهد. اما شکی نیست که مسیرهای تازهای در علم مواد، انرژی و پزشکی از همین دشتهای جنوب سوئد متولد میشوند و ما در زمانهای زندگی میکنیم که میتوانیم آغاز این فرایند را ببینیم.
English SummaryIn the peaceful fields of Lund, Sweden, an unprecedented alliance of 13 countries is constructing the most powerful neutron microscope in history, the European Spallation Source (ESS), aimed at revolutionizing our understanding of matter. Unlike optical microscopes, this massive machine generates a storm of neutrons by firing protons at a tungsten target, allowing scientists to probe the deepest layers of atoms.
Neutrons, being neutral particles, can delve into materials and reveal secrets inaccessible to X-rays, potentially visualizing drug movements within the body or ion dynamics in next-gen batteries. The ESS employs cutting-edge linear accelerator technology, making it a safe option compared to nuclear reactors.
This neutron microscope, instead of using light, relies on these particles to see into materials. Neutrons can traverse the empty spaces between atoms, making them ideal probes for atomic structures in motion. The process of spallation, wherein high-energy protons bombard heavy atom nuclei to release neutrons, is essential for generating these neutrons.
The ESS stands to unlock discoveries we cannot yet foresee, much like early electricity pioneers could not have imagined the internet or smartphones. Researchers believe the findings from ESS will pave the way for advancements in materials science, energy, and medicine, marking a transformative journey beginning in southern Sweden.
