Nyelv

 

Alkalmazások

Az ELI-ALPS-ban rejlő kutatási potenciál a felhasználók számára

 

1. Attoszekundumos műszerek a vegyészet, biológia és nanotechnológia számára

Egyedi lézerrel meghajtott forrásainak köszönhetően az ELI Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás (ELI-ALPS) olyan attoszekundumos nyalábokat hoz létre az XUV és a röntgen spektrális tartományokban, amelyek máshol nem állnak rendelkezésre. Az attoszekundumos impulzusok révén időfelbontásos, atomon vagy molekulán belüli elektrondinamikai kísérletek hajthatók végre, melyek bepillantást engednek a fontosabb molekuláris gerjesztések és kémiai reakciók időbeli alakulásába.

A molekulaszerkezet és annak időbeli alakulása képezik a kémiai és biológiai folyamatok mélyreható megértésének alapját. A lézertechnológia forradalmi fejlődése utat nyitott az olyan fényvillanások keltésének, amelyek az ultragyors mozgás egyes fázisait képesek megragadni a kvantummechanika szintjén. Az ultrarövid lézerimpulzus-technológia utóbbi időben végbement gyors fejlődésének köszönhetően váltak lehetővé az elektronok dinamikájára vagy az olyan fényindukált folyamatokra irányuló kísérletek, melyek a kötések felszakadásától a nagyobb kémiai és biológiai komplexek molekuláris átrendeződéséig terjednek. Készültek már femtoszekundumos felbontású „molekuláris filmek”, melyek feltárták a molekulák szerkezeti változásait. Az attoszekundumos felbontás ugyanakkor lehetővé teszi az elektronmozgás követését e rendszerekben, a molekuláris pályákról tomografikus felvételek készítését és számos további, korábban még elérhetetlen vizsgálati alkalmazás kiaknázását.

 

 

 

 

Egy kémiai reakció sok esetben csak katalizátoranyagok jelenlétében valósulhat meg, illetve ilyen katalizátorok segítségével a reakció lefolyásának sebessége nagyságrendekkel növelhető. A reakciósebesség nagymértékű felgyorsítása miatt a katalizátorok rendkívül fontos szerepet töltenek be a vegyipar és számos mindennapi alkalmazás terén. A reakciók sebességének pontos szabályozásához, valamint katalizátoranyagok létrehozásához a folyamatok, köztük az ultragyors folyamatok és a gyorsan bomló közbenső termékek kölcsönhatásainak beható ismerete szükséges.

Az alapvető közbenső folyamatok ultragyors dinamikájáról jelenleg rendelkezésünkre álló ismeretek azonban meglehetősen korlátozottak.

 

 

 

 

 

2. Alkalmazások a biológiai képalkotás területén

A funkcionális (élő vagy legalább in-vitro) körülmények között, biológiai anyagokról (sejtekről, sejtszervecskékről, sejten belüli struktúrákról), nanométeres mérettartományban készült nagy felbontású felvételek elengedhetetlenek a biológiai anyagokban fennálló szerkezet-funkció kapcsolatok megértéséhez. Ez magában foglalja a sejtek anyagcseréjének, a sejtmembránon keresztül zajló transzportfolyamatoknak, a sejtek közötti kommunikációnak és még számos egyéb folyamatnak a feltárását. Pillanatnyilag a nagy felbontású elektronmikroszkópia és a továbbfejlesztett konfokális fénymikroszkópia jelentik a bioanyagok ~1 nm-es térbeli felbontásig terjedő képalkotásának technológiai csúcsát, mely eljárások azonban a minták átfogó kriofixálását és/vagy festését teszik szükségessé, ezzel sokszor megváltoztatva vagy megmérgezve a mintastruktúrát. A 4,3 nm és 2,4 nm hullámhossz közötti ún. „víz-ablak” spektrális tartományban rövid hullámhosszúságú sugárzással végzett lágy röntgenmikroszkópia ugyanakkor kiegészítő módszerként lehetővé teszi a festetlen (viszont általában kriogenikusan hűtött) minták in-vitro képalkotását a festéssel járó műtermékek veszélye nélkül. A lágy röntgenmikroszkópiát ezenfelül egy integrált kettős üzemmódú műszer segítségével fénymikroszkópiával is ki lehet egészíteni.

A celluláris képalkotás mellett a biológiai makromolekulák angström alatti térbeli felbontással történő szerkezeti vizsgálata kiemelt fontossággal bír a proteomika és a gyógyszertudomány területén. A fehérjék és enzimek struktúra-funkció kapcsolatának feltárása alapvető fontosságú a betegségek biokémiai megértése és új gyógyszerek kifejlesztése és felfedezése tekintetében.

A kemény röntgensugarakat használó fehérje-krisztallográfia a makromolekulás kristályok szerkezeti vizsgálatának hatékony eszközévé vált, miközben az új koherens röntgendiffrakciós eljárásokat az ú.n. túlmintavételező finomítás („oversampling refinement”) algoritmusokkal együtt alkalmazva a közelmúltban lehetőség nyílt a nem kristályosított makromolekulák szerkezeti vizsgálatára is. Ezek az új koherens diffrakciós képalkotási technológiák különösképp a membránfehérjék szerkezeti vizsgálatában lehetnek hasznosak, mert azokat nehéz kristályosítani (ezért a fehérje kristályszerkezeti adatoknak csak egy kis töredéke mebránfehérje-szerkezet).

Egyetlen molekuláról felvételek készítéséhez ultrafényességű, rövid impulzusú röntgensugárra lenne szükség, mely elegendő információt képes begyűjteni a fehérje szerkezetéről, még mielőtt az az erősen ionizáló röntgenvillanás hatására keletkező Coulomb-robbanás miatt felbomlana. Az egyetlen molekula képi felvétele ennek megfelelően a szerkezeti biológia fejlődését eredményezné, miután valamennyi nem kristályosítható fehérje – azaz a gyógyászati szempontból lényeges proteinek többsége – szerkezete hozzáférhetővé válna.

A nyalábidő e területen történő kihasználásának előfeltétele kellően felhasználóbarát „víz-ablak” és keményröntgen-források kifejlesztése, így lehetővé téve, hogy ezekhez a vizsgálatokhoz két különálló felhasználói állomást állítsanak fel. A lehetséges felhasználók körébe a széles ipari és tudományos közösség sorolható.

 

 

 

3. Alkalmazások az orvostudomány területén

A nagy fényességű röntgenforrások orvostudományi alkalmazása a diagnosztikát és a terápiát egyaránt lefedi. A koherens röntgensugarak lehetővé teszik, hogy fáziskontraszt felvételek vagy 3D-s tomográfia segítségével az egészséges szövetek sűrűségéről vagy akár tumorszövetek szerkezetéről nagy felbontású képek készüljenek. Míg az amplitúdó-kontraszt kisebb tumorok (~1 mm) és kis elektronsűrűség-variációval rendelkező szövetek esetén nem rendelkezik kellően érzékeny jel-zaj viszonnyal, addig a fáziskontrasztos képalkotás magában hordozza egy károsodott szövet rákképződés előtti szakaszának nem áttétes fázisban történő detektálási lehetőségét is. A lézerrel meghajtott röntgenforrással végzett fáziskontrasztos képalkotás kísérleti bemutatására már alkalmaztak betatronforrást is. A fáziskontrasztos képalkotás mellett egyéb, a röntgensugár és anyag közötti kölcsönhatások is felhasználhatók képalkotás céljára. Erre jó példa a kis szögű röntgenszórás, mely szintén a koherens, kis divergenciájú röntgensugárral való megvilágításon alapul. A tervezett lézerforrással előállítható közepes infravörös (MIR) spektrális tartomány jól hasznosítható lesz számos orvostudományi alkalmazás esetén. A biomolekulák a 3–15 µm-es tartományban egyedi abszorpciós vonalakkal rendelkeznek, így egy megfelelően hangolt lézernyalábbal a molekulák szelektív gerjesztésére, detektálására vagy elbontására nyílik lehetőség. A lézeres fogászat, lézeres angioplasztika, endoszkópos submucosa disszekció és lézeres lithotripsia területei mind hasznosítani tudnák a MIR-impulzusok rövid időtartamát. Az ilyen a területekre irányuló vizsgálódásokat nagymértékben előrelendíti majd, hogy ezek a nyalábok az ELI-ALPS-nál viszonylag egyszerű kísérleti környezetben válnak majd elérhetővé.

 

 

 

4. Kutatások az energia területén – a napelemektől a mesterséges fotoszintézisig

Napjainkban a napelemek útján előállított elektromos energia költsége tizenötször magasabb, mint a hagyományos erőművek által biztosított energiáé. 

A napfény átalakításával nyert tiszta, megújuló és szén-dioxid-kibocsátást nem okozó energia iránti kereslet dinamikusan nő, a német tanácsadói testület globális energia-forgatókönyve szerint pedig 2050-re a teljes energiatermelés 20%-át a napelemes előállítás biztosítja majd (J. Luther, World in transition – towards a sustainable energy system, www.wbgu.de). Ezenfelül, a hatékony akkumulátortechnológia számos alkalmazási terület esetén nélkülözhetetlen, így pl. a hordozható elektronikus készülékek, elektromos járművek, emberi beültetésre szánt készülékek, valamint a megújuló és független energiatermelést lehetővé tevő energiatárolás területén. Továbbá ez jelenti az olajon alapuló technológiáról a töltés-tárolás-alapú technológiára való átállás egyik alappillérét is.

 

 

 

 

Az ELI-ALPS a kémiai változások, reakció útvonalak és az atomi és molekuláris szintű kinetika időfelbontásos, valós idejű képalkotási eszközeként a modern napelemes és akkumulátoros alkalmazások anyagainak és folyamatainak vizsgálata révén járulhat hozzá a kívánt módszertanok kidolgozásához.

A szén-dioxidból és vízből nyert üzemanyagok előállítását célzó, látható fénnyel gerjesztett mesterséges fotoszintetizáló rendszerek akár egy széntől független energiarendszer kialakításához is elvezethetnek. A gazdasági szempontból ésszerű, a természetes fotoszintézist „másoló” fotoszintetikus rendszerek kifejlesztéséhez az ilyen összetett molekuláris rendszerek működésének mélyreható ismerete szükséges. Az ELI-ALPS a megfelelően hangolható és nagy ismétlési frekvenciájú, széles spektrális tartományokat lefedő impulzusok révén a komplex fotoszintetizáló rendszerek molekuláris és elektronikus szerkezetének mérését, illetve a vegyértékelektronok töltéseloszlásának valós idejű, femto- és attoszekundumos időskálán történő nyomon követését teszi lehetővé.

 

 

 

5. Nagy energiájú fotonika

Az ELI-ALPS fejlesztő testbed környezetet szolgáltat a nagyenergiájú, rövid impulzusú lézeres rendszerek ipari partnerek számára történő kifejlesztéséhez laboratóriumi méretekben. Miközben a PW-osztályú lézerek már kezdenek megjelenni a piacon, az ELI-ALPS optimális eszköz e technológiák tesztelésére és továbbfejlesztésére, akár a Ti-zafír lézertechnológián, akár az optikai parametrikus csörpölt impulzuserősítésen (OPCPA) alapuló koncepciók alapján, továbbá az ilyen lézertípusokhoz való nagyenergiájú optika tesztelésére is.

Partnereinket arra is biztatjuk, hogy helyi fejlesztőlaboratóriumokat nyissanak a szomszédos tudományos és technológiai parkban. Az ELI által nyújtott létesítmények és nyalábidő rugalmasan használhatók majd fel különböző fejlesztési célokra, köszönhetően az erősített PW-skálájú infravörös nyaláboknak (lásd a fenti forrástáblázatot) és a csak itt megvalósuló gerjesztőlézer-forrásoknak– melyek valószínűleg a diódával pumpált szilárdtestlézer (DPSSL) technológián fognak alapulni.

 

 

 

 

 

6. Információtechnológia, anyagtudomány és nanotudomány

A nagy fényességű és hangolható hullámhosszúságú rövid hullámhosszú besugárzás anyagtudományi alkalmazása a kémiai/elemi felületanalízisben, így például a röntgenes fotoelektron-spektroszkópia (XPS, ESCA) vagy a röntgen-fluoreszcenciás analízis területén jelenik meg. A forrás nagy fényességével kapcsolatos magas követelmények („fotonfaló” kísérletek) különösen akkor állnak fenn, amikor az előbbi spektroszkópiai módszereket nano-méretarányú térbeli felbontással egészítik ki a nanospektroszkópia vagy a spektromikroszkópia területén, például a Nano-ESCA (XPS nano-méretarányú térbeli felbontással) vagy röntgen fotoelektron-kibocsátás mikroszkópia (X-PEEM) esetén. Az optimális követelmény egy lágy és kemény röntgensugár üzemmódban egyaránt hangolható, nagymértékben monokromatikus fényforrás lenne. Egy laboratóriumi méretezésű Nano-ESCA műszer kiváló eszköz lehet az anyagtudomány területén történő különböző mérések végrehajtásához – a félvezetők fizikájától és az elektronikus sávstruktúra képalkotástól egészen a mágneses anyagok és mágneses domének cirkulárisan polarizált röntgensugárzással történő vizsgálatáig. Egy ilyen készülék olyan mérések elvégzését tenné lehetővé, melyek jelenleg kizárólag szinkrotron létesítményekben hajthatók végre a kísérlet nagy fényintenzitás igénye miatt.

Ehhez egy ilyen felhasználói állomás felállítása szükséges, és erre a 3.2. pontban leírtakkal azonos időbeli korlátok vonatkoznak.

Az extrém ultraibolya litográfiát (EUVL) tekintik a legígéretesebb következő generációs litográfia-technológiának a 32 nm és az alatti kritikus méretekkel rendelkező logikai és memória félvezető-eszközök nagy mennyiségben történő gyártásához. A technológia alapját egy inkoherens, nagy teljesítményű extrém ultraibolya-forrás, kondenzátor optika és egy mindenhol tükröző, többrétegű bevonattal bíró képalkotó objektív jelentik. Az EUVL egyik legnagyobb kihívása a hibamentes, többrétegű bevonattal ellátott visszatükröző maszkok kivitelezése. Bizonyítást nyert, hogy számos alapvető hibát csak litográfiai hullámhosszúságon (13,5 mm) folytatott (aktinikus) vizsgálattal lehet feltárni, mivel a távoli ultraibolya tartományban már kidolgozott vizsgálati módszerek elől azok rejtve maradnak. Ezért különböző aktinikus mikroszkópos vagy szórásos eljárásokat dolgoztak ki az EUVL maszkok megmunkálás előtti hibáinak a bemérésére és észlelésére akár a 30 nm alatti mérettartományban is. Ehhez hasonló eljárások (a nano-fókuszált EUV-nyalábok sötétmezőben való szórásán alapuló egyéb technikákkal együtt) ez idáig csak szinkrotronsugárzás-tárológyűrűkben (BESSY 2, ALS) voltak elvégezhetők, viszont a félvezető litográfiai laboratóriumok tisztaszoba-környezetébe történő integrációra szükség van ahhoz, hogy ezeket a - koncepciót bizonyító - eszközöket kereskedelmi forgalomban lévő EUV metrológiai műszerekké alakítsák át. Ez az integráció a nagy fényességű laboratóriumi EUV-forrás meglététől függ, amit nagy ismétlési frekvenciájú magasrendű harmonikus keltéssel lehet megvalósítani.

 

 

 

 

 

 

7. THz technológiák és alkalmazások

A THz spektrális tartomány a mikrohullámú és az infravörös sugárzás közötti területet tölti ki, ami a multidiszciplináris tudományok számára kiemelt tudományos és technikai érdekességgel bír. A THz technológiát már napjainkban is széles körben alkalmazzák különféle objektumok képalkotására a félvezető iparágban, a biztonságtechnikában, a kulturálisörökség-védelemben és számos egyéb területen.

Ezen elterjedt alkalmazásokon felül az ELI-ALPS egyedi, nagyintenzitású, az elsődleges lézerforrásokhoz pontosan szinkronizált, impulzusüzemű THz-sugárforrásokat fog nyújtani. 

A világelső, házon belüli szakértelem eredményeképpen akár minden korábbinál magasabb, 100 MV/cm elektromos csúcs-térrősségű és sok mJ impulzusenergiájú, a 0,1–10 THz frekvenciatartományba eső nagy intenzitású ultrarövid THz-források válnak elérhetővé. A fentieknek köszönhetően lehetőség nyílik a spektroszkópiai vizsgálódások egészen új fajtáira, valamint anyagi kölcsönhatások vizsgálatára a felgyorsított részecskéktől a molekulákon át a nanostruktúrákig. Az ELI-ALPS-nál rendelkezésre álló különböző – a röntgentől egészen az infravörös hullámhosszúságokig terjedő – források és az ultrarövid impulzus időtartamok kombinációjával eddig nem látott szerkezeti és dinamikai kutatások lefolytatására nyílik lehetőség.

Az időfelbontásos eljárások új fajtái közé tartozik a THz-gerjesztő–THz-mérő és a THz-gerjesztő–optikai mérő spektroszkópia, ahol az intenzív THz-impulzusokat a mintában történő változások elindítására használják fel, majd a THz- vagy optikai impulzusokat e változások észlelésére alkalmazzák. A technológia egyik fontos alkalmazási területének tekinthető a töltéshordozó-dinamika vizsgálata félvezetőkben. Az impulzusüzemű THz elektronspin-rezonancia (ESR) technika segítségével biológiai molekulákban bekövetkező szerkezeti változások tanulmányozása is lehetségessé válhat.

 

 

 

 

Az anyagi tulajdonságok és -folyamatok extrém erős kvázi-sztatikus (THz) mezők hatása alatt történő vizsgálata és szabályozása új anyagtechnikai lehetőségeket rejt magában. A THz frekvenciatartományba eső erős külső elektromos tér hatása alatt újfajta betekintést nyerhetünk a molekulák, klaszterek, nanoszerkezetek és térfogati anyagok dinamikai tulajdonságaiba, vizsgálhatjuk és manipulálhatjuk őket, illetve azon fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat, melyekben részt vesznek. A biomolekulák különböző konformációs állapotban történő időfelbontásos vizsgálatára például a THz-mezők és az optikai impulzusok kombinálásával van lehetőség. A kémiai reakciók útvonalainak szabályozására ugyancsak lehetőség nyílik majd.

Ezen intenzív források használatával a THz idő-tartomány spektroszkópia képalkotási eljárásokkal kapcsolható össze, így pedig akár nagyméretű minták is vizsgálhatók 2D-s elektro-optikai mintavételezéssel anélkül, hogy a minta felületének időigényes letapogatására lenne szükség. A többspektrumú, egylövéses képalkotás érdekes új eszköz a nem destruktív tesztelés és egyéb alkalmazások, például a különböző vegyi anyagok térbeli mintáinak leképezése tekintetében. 

Az intenzív THz-sugárzás nem destruktív tesztelésre, biztonságtechnikai szűrésre és biogyógyászati alkalmazásokra is használható, melyek esetén a tesztelt objektumok vegyi összetételének elemzése is fontos, a belső szerkezetek geometriai alakzatának vizualizálása mellett. Miután számos anyag spektrális „ujjlenyomatokat” mutat a THz-tartományban, ezért az ebben a tartományban végzett spektroszkópiai analízis az anyagtulajdonságok meghatározására használható új eszközként ugyancsak érdeklődére tarthat számot.