Synchrotrónové centrum SOLARIS

Krakov sa zvykne prirovnávať k európskemu Silikónovému údoliu a Bostonu zároveň. Oprávnene. V meste má výskumné centrá mnoho významných IT firiem, napríklad Oracle, Google, IBM, Samsung či Eset. Sídli tu takisto niekoľko inkubátorov pre startupy. A prirovnanie k Bostonu? Krakov je študentské mesto a vďaka podpore firiem a efektívnemu využívaniu fondov EÚ je kvalita absolventov krakovských univerzít veľmi vysoká.

Využili sme možnosť navštíviť niekoľko špičkových pracovísk Jagelovskej univerzity vrátane Národného centra synchrotrónového žiarenia SOLARIS, jediného svojho druhu v strednej ­Európe. Sprevádzal nás Marcin Sikora, vedúci oddelenia pre výskum. Okrem opisu fungovania synchrotrónu nám vysvetlil aj to, že pomenovanie pochádza z názvu diela Stanisława Lema Solaris.

Synchrotrón je cyklický urýchľovač, t. j. zariadenie, v ktorom sú častice urýchľované a pohybujú sa po pevnej dráhe s uzavretou slučkou na rozdiel od lineárnych urýchľovačov, v ktorých sa urýchlené častice pohybujú po priamke. Zdrojom elektrónov je elektrónové delo, odkiaľ prichádzajú do lineárneho urýchľovača, kde sa urýchľujú na rýchlosť blízku rýchlosti svetla vo vákuu. Následne sú tieto elektróny privedené do synchrotrónu, kde každú sekundu vykonajú viac ako tri milióny obehov. Aby sa elektróny mohli pohybovať po uzavretej slučke, ich dráha pohybu je zakrivená dvanástimi blokmi elektromagnetov. Pri pohybe elektrónov vzniká elektromagnetické žiarenie nazývané synchrotrónové svetlo. Synchrotrónové svetlo sa odoberá zo synchrotrónu pomocou takzvaných beamlines a odvádza sa cez vákuové trubice do koncových staníc, kde sa využíva na vedecký výskum.

Beamline v pozadí je tunel v ktorom kolujú urýchlené elektróny.jpg

Synchrotrónové svetlo je jedinečné. Lúč odoberaný zo synchrotrónu je tenký približne ako ľudský vlas. Medzi jeho mimoriadne vlastnosti patrí jeho obrovská intenzita; je miliónkrát jasnejšie ako svetlo, ktoré prichádza na Zem zo Slnka. Okrem toho synchrotrónové žiarenie obsahuje elektromagnetické vlny siahajúce od infračerveného spektra cez viditeľné a ultrafialové svetlo až po röntgenové lúče. Vďaka tomu môžu vedci študovať rôzne materiály vrátane organických rôznymi spôsobmi, externe aj interne. Dozvedia sa, aké majú chemické zloženie a elektrické či magnetické vlastnosti. Mnohé typy meraní sú možné len pri použití synchrotrónového svetla. Toto svetlo tiež umožňuje vedcom získať kvalitnejšie informácie za kratší čas ako pri použití tradičných svetelných zdrojov.

Synchrotrón SOLARIS je najväčší vedeckovýskumný prístroj v Poľsku a takisto prvý a jediný synchrotrónový urýchľovač v strednej Európe. Krakovský synchrotrón navrhli špecialisti zo švédskeho laboratória MAX IV v Lunde, je v podstate kópiou švédskeho synchrotrónu. SOLARIS bol postavený v rokoch 2011 – 2014 na báze najmodernejších technológií, vďaka čomu má výborné parametre napriek relatívne malým rozmerom. Relatívne malé v tomto prípade znamená obvod 100 metrov. Na porovnanie, najväčší európsky synchrotrón vo francúzskom Grenobli má obvod 844 metrov. Vybudovanie centra stálo približne 50 miliónov eur a bolo hradené z fondov EÚ. Pri výstavbe haly počítali s rozširovaním, k dispozícii sú tu priestory na ďalšie vedecké pracoviská. V súčasnosti SOLARIS zamestnáva približne 100 ľudí.

Synchrotrón pracuje nepretržite 24 hodín denne, sedem dni v týždni. Vedcom aj doktorandom z viacerých krajín ponúka obrovské príležitosti v rôznych odvetviach vedy – v biológii, chémii, fyzike, materiálovom inžinierstve, nanotechnológiách, medicíne, farmakológii, geológii a mnohých ďalších odboroch.

Na koncových staniciach musia výskumníci dávať pozor na ochranu pred žiarením

Synchrotrónové centrum aj elektrónové kryomikroskopy môže používať každý vedec z Poľska aj zo zahraničia, ktorého žiadosť komisia prijme. Prístup k Solarisu je bezplatný pre každého, kto vykonáva nekomerčný výskum. V rokoch 2018 – 2021 bolo vykonaných 269 experimentov. Prijaté návrhy predložili vedci z 94 univerzít a výskumných ústavov, z 39 poľských a 55 zahraničných. Aby vedci mohli využiť kapacity centra Solaris, musia svoj projekt poslať v rámci výzvy na predkladanie návrhov, ktorá sa vyhlasuje dvakrát do roka. O výbere projektov rozhoduje medzinárodná komisia špecialistov v daných vedných odboroch.

Nielen názov centra, ale aj pomenovanie jednotlivých beamlines má pôvod v sci-fi, ale zároveň sú to skratky opisujúce experimenty. Päť beamlinov je v prevádzke a tri sa dokončujú.

• PIRX (Premiere InstRument for Xas operational beamline) sa využíva na štúdium chemikálií a elektronických, štrukturálnych a magnetických vlastností vzoriek s využitím röntgenovej absorpčnej spektroskopie (XAS) a polarizovaného röntgenového žiarenia. Metódy sú vhodné na snímanie špecifických vlastností, povrchov, rozhraní, tenkých filmov a nanomateriálov. 
• PHELIX (PH – photoelectrons; HELI – posibility of light polarizations change; X – energy which is within the X-ray range) je koncová stanica vhodná na výskum nových materiálov, napr. tenkých fólií, izolantov, materiálov v oblasti spintroniky a magnetoelektroniky, ako aj biomateriálov.
• ASTRA (Absorption Spectroscopy beamline in Tender energy Range) umožňuje základný a aplikovaný výskum v materiálovej vede, fyzike, chémii, biomedicíne a ochrane životného prostredia. Dostupné experimentálne techniky dávajú možnosť skúmať atómové prostredia vybraných chemických prvkov v tuhých látkach, kryštalických aj amorfných, a takisto vzoriek v kvapalnom alebo plynnom skupenstve.
• POLYX (POLYchromatic X-rays optics) po dokončení umožní multimodálne röntgenové zobrazovanie a spektromikroskopiu. Vedci budú môcť získať priestorové informácie o vnútornej štruktúre a zložení prvkov a zlúčenín. Umožní výskum vo fyzike, chémii, biologických vedách, environmentálnom inžinierstve, ako aj v elektronike, súdnom lekárstve, archeológii a ochrane umeleckých diel.
• URANOS (Ultra Resolved ANgular phOto­electron Spectroscopy) slúži na štúdium nových opto-, spin-, magnetoelektronických materiálov a nanoštruktúr, takisto na výskum supravodičov, polovodičov či polokovov. Merania pomocou uhlovej fotoemisnej spektroskopie (ARPES) umožňujú úplný experimentálny opis elektrónovej štruktúry hmoty.
• DEMETER (Dual Microscopy and ElecTron spEctRoscopy) Beamline je zdieľaná medzi dvoma nezávislými vetvami so špecializovanými experimentálnymi koncovými stanicami: PEEM (fotoemisná elektrónová mikroskopia) a STXM (skenovací transmisný röntgenový mikroskop), ktorý umožňuje chemickú analýzu na nanoúrovni. PEEM kombinuje spektroskopiu a mikroskopiu v jednom systéme na charakterizovanie štrukturálnych, chemických, elektronických a magnetických vlastností tenkých vrstiev, povrchov a rozhraní.
• CIRI (Chemical InfraRed Imaging) po dokončení umožní výskum a vývoj v biomedicíne, nanotechnológii, archeológii, ochrane umenia a environmentalistike. Beamline umožní chemické zobrazovanie od makro- až po nanorozmery a poskytne informácie o zložení a molekulárnej štruktúre vzorky.
• SOLCRYS (SOLaris; CRYStallography) po dokončení umožní výskum v oblasti biologickej vedy, v medicíne pri vývoji liekov, chémii a vede o materiáloch. Koncové stanice umožnia analýzy štruktúry proteínov, vírusov, nukleových kyselín a polymérov. Tieto štúdie poskytujú poznatky o molekulárnom základe živých organizmov a o architektúre makromolekúl.

Počas exkurzie sme si mohli niektoré pracoviská pozrieť a hovoriť s výskumníkmi. Zaujímavý bol napríklad 3D obraz prehistorického komára, ktorý sa zachoval v kúsku jantáru. Jantár však nie je priehľadný, takže klasickým optickým mikroskopom by sme ho nevideli. Na ďalšom pracovisku skúmali biologické vzorky pomocou Ramanovej spektroskopie. Hovorili sme aj s vedcami pracujúcimi s kryoelektrónovými mikroskopmi, ktoré namiesto svetla využívajú na zobrazovanie prúd elektrónov. V rámci exkurzie sme navštívili aj Jagelovské inovačné centum, Malopoľské centrum biotechnológií Jagelovskej univerzity a firmu Ryvu Therapeutics, ktorá sa za­oberá výskumom, vývojom a testovaním liekov vrátane onkologických, a Sano, čo je centrum individualizovanej výpočtovej medicíny.