Rozmowa z prof. dr. hab. Jackiem Szade z Instytutu Fizyki im. Augusta Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego

Promieniowanie na wagę złota

W 2015 roku otwarto Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie. To najnowocześniejsze i największe multidyscyplinarne urządzenie badawcze w Polsce. SOLARIS działa przy Uniwersytecie Jagiellońskim, ale ma służyć całemu środowisku naukowemu w kraju. Prof. dr hab. Jacek Szade jest koordynatorem linii badawczej PHELIX synchrotronu SOLARIS i koordynatorem ds. rozwoju infrastruktury badawczej Centrum SOLARIS.

Prof. dr hab. Jacek Szade, kierownik Zakładu Fizyki Ciała Stałego w Instytucie Fizyki UŚ
Prof. dr hab. Jacek Szade, kierownik Zakładu Fizyki Ciała Stałego w Instytucie Fizyki UŚ

Czym jest promieniowanie synchrotronowe? Czy może Pan Profesor wyjaśnić ten termin?

– Światło, dzięki któremu postrzegamy świat, to tzw. promieniowanie elektromagnetyczne. Jest to fala, którą stanowią periodyczne zmiany pola elektrycznego i magnetycznego. Każda fala ma określoną długość i od tej długości zależą jej właściwości. Mogą to być fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma. Światło widzialne to taki zakres promieniowania elektromagnetycznego, na który reagują nasze oczy. Ze Słońca dociera do Ziemi oprócz światła widzialnego także promieniowanie o trochę większej energii i mniejszej długości fali, czyli tzw. ultrafiolet, oraz promieniowanie o większej długości fali, tzw. podczerwień. Słońce jest źródłem fal elektromagnetycznych w dość szerokim zakresie. Ciekawym rodzajem fal elektromagnetycznych są fale rentgenowskie, które bardzo dobrze przenikają przez materię, dzięki czemu znalazły zastosowanie w obrazowaniu wnętrza organizmu. Źródłem fal elektromagnetycznych są też zwykłe żarówki. We wszystkich tych źródłach – czy na Słońcu, czy w żarówkach – światło, czyli fala elektromagnetyczna, pochodzi od zmiany stanu atomów. Elektrony przechodzą z wyższego poziomu energetycznego na niższy i wówczas wysyłane jest promieniowanie elektromagnetyczne: widzialne i w zakresach niewidzialnych. Promieniowanie rentgenowskie powstaje w trochę inny sposób – w tzw. lampach rentgenowskich. Obecnie mamy jeszcze inny sposób uzyskiwania promieniowania elektromagnetycznego – w synchrotronach. W urządzeniach tych strumień rozpędzonych elektronów przyspieszonych do ogromnych prędkości, bliskich prędkości światła, zostaje zakrzywiony. Możemy to zrobić np. za pomocą magnesu i wówczas pole magnetyczne zakrzywia tor ruchu elektronów. Gdy elektrony zmieniają swój kierunek ruchu, wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne – również w szerokim zakresie energii. W zależności od tego, jak szybko się one poruszają oraz w jak silnym polu magnetycznym je umieścimy, wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne o różnych długościach fal. Promieniowanie synchrotronowe ma szereg ciekawych właściwości, które sprawiły, że naukowcy kilkadziesiąt lat temu zdecydowali się budować tak duże i kosztowne urządzenia. Do takich urządzeń należy polski synchrotron SOLARIS. Obecnie na świecie mamy dwa rodzaje synchrotronów. Są to akceleratory, w których chodzi o to, żeby cząstki jak najbardziej przyspieszyć, a następnie zderzyć ze sobą i badać efekty tych zderzeń. Przykładem takiego synchrotronu jest słynny Wielki Zderzacz Hadronów w CERN pod Genewą, w którym cząstki – głównie protony, ale też inne cząstki – przyspiesza się do ogromnych energii, ale uzyskanego promieniowania się nie wykorzystuje. W synchrotronach, do jakich należy SOLARIS, nie chodzi natomiast o zderzanie cząstek, ale o promieniowanie. I jak najwięcej tego promieniowania chcemy uzyskać, gdyż jest ono dużo lepsze niż promieniowanie standardowych lamp rentgenowskich. W naszych laboratoriach znajdujących się w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie mamy kilka urządzeń, w których wykorzystujemy promieniowanie rentgenowskie: są to dyfraktometry rent- genowskie, fluorescencyjny spektrometr rentgenowski, spektrometr fotoelektronów. Promieniowanie rentgenowskie, które wytwarza synchrotron, jest dziesiątki, a nawet tysiące razy silniejsze, ma dużo większe natężenie niż promieniowanie, które wytwarzamy w naszych urządzeniach. Oczywiście wykorzystujemy nie tylko promieniowanie rentgenowskie, również ultrafioletowe i czasami podczerwone.

SOLARIS to pierwsze źródło promieniowania synchrotronowego i pierwsza infrastruktura badawcza takiej wielkości w Polsce oraz o takim potencjale w tej części Europy. Prof. dr hab. Marek Stankiewicz, dyrektor Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, podkreśla, że projekt realizowany jest przez Uniwersytet Jagielloński dla całego środowiska badawczego w Polsce i za granicą, zaś ośrodek zapewnia dostęp do bardzo nowoczesnej infrastruktury i oferuje możliwości prowadzenia unikatowych badań na najwyższym poziomie. Jakiego typu mogą to być badania?

– Dzięki promieniowaniu synchrotronowemu możemy wykonywać badania, których nie dałoby się przeprowadzić w standardowych urządzeniach laboratoryjnych. Można je prowadzić dużo szybciej oraz wykonywać równocześnie w kilku, a nawet kilkunastu punktach na danym urządzeniu. Ponadto badania mogą być wykonywane przez 24 godziny na dobę. Dzięki temu z jednego synchrotronu może korzystać jednocześnie duża grupa badaczy. Krakowski synchrotron ma dopiero dwie linie badawcze (jedna jest już prawie gotowa, na ostatnim etapie testowania, druga niedługo będzie skończona). Budujemy teraz trzecią linię, w którą jest zaangażowany Uniwersytet Śląski. Docelowo będzie miał kilkanaście, do dwudziestu linii badawczych, a w każdej linii badawczej jakieś urządzenie badawcze, np. spektrometr lub mikroskop. Warto dodać, że na synchrotronach mogą być prowadzone badania z różnych dziedzin nauki: fizyki, chemii, biologii, inżynierii materiałowej, medycyny, a nawet archeologii…

Budynek Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie
Budynek Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie

Z archeologii? A jakie badania może w synchrotronie prowadzić archeolog?

– Byłem świadkiem badań starych płócien malarskich. Prześwietlenie promieniami rentgenowskimi odpowiedniej energii dało możliwość zobaczenia głębszych warstw płótna jakiegoś mistrza sprzed kilkuset lat. Dzięki temu dowiedzieliśmy się, że obraz był przemalowywany. Można również uzyskać informacje o strukturze ceramicznych materiałów historycznych, dowiedzieć się, kto i w jakim okresie je wytworzył, jak również skąd pochodzi dana próbka znaleziska archeologicznego. Wreszcie dzięki promieniowaniu synchrotronowemu naukowcy mogą uzyskać wiedzę dotyczącą właściwości strukturalnych i chemicznych badanego materiału.

Promieniowanie synchrotronowe wykorzystywane jest także w medycynie, np. w badaniach podstawowych dotyczących podstaw działania organizmu, w badaniach materii organicznej, bardzo rozwinięta jest na synchrotronach metodyka badania kryształów białek, czyli podstawowego budulca żywych organizmów, które się krystalizuje, później bada strukturę tych kryształów w laboratoriach. Kiedyś taki proces trwał latami, a na synchrotronie wystarczy kilkanaście minut, by uzyskać informacje o strukturze takiego białka, a następnie wykorzystać je w terapii. Dzięki promieniowaniu rentgenowskiemu wytworzonemu na synchrotronie można też uzyskać dużo lepszą precyzję, lepszą rozdzielczość i dokładność obrazowania wybranych tkanek organizmu czy innych preparatów biologicznych. Można zobaczyć np. mikronaczynia krwionośne, które wytwarzają się w pobliżu guza nowotworowego.

Są również prowadzone badania typowo biologiczne. Jedna z naszych linii synchrotronowych, jeśli uda się dostać dofinansowanie, będzie linią spektromikroskopii rentgenowskiej, która jest coraz częściej wykorzystywana do badania nanoobiektów, np. wnętrza komórki jednocześnie z charakterystyką chemiczną.

Na czym konkretnie polega wspomniana przez Pana Profesora współpraca z Uniwersytetem Śląskim?

– O linii, której jestem obecnie koordynatorem, myślałem już bardzo dawno temu, jeszcze gdy nie było polskiego synchrotronu. W Polsce działa bardzo silnie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego. To grupa naukowców – głównie fizyków i chemików – którzy wykonywali od lat badania za pomocą promieniowania synchrotronowego i 25 lat temu założyli tę organizację. Myślę, że działania Towarzystwa w sposób istotny przyczyniły się do tego, że powstał polski synchrotron. Planowaliśmy taką linię, w której główną techniką badawczą byłaby spektroskopia fotoelektronów. To jest technika, którą zajmuję się już dwadzieścia kilka lat. W ŚMCEiBI w Chorzowie mamy dwa spektrometry fotoelektronów i non stop prowadzimy na nich badania. Wykonujemy je za pomocą jednej energii promieniowania, tzn. fotonów, co uniemożliwia badanie w funkcji energii promieniowania. Na synchrotronie będzie natomiast możliwość badania widm fotoelektronów właśnie w funkcji energii tego promieniowania, a także przeprowadzania szeregu innych badań, np. zależnych od kąta, czyli tzw. kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów, także spinowo- -rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów, która będzie dawała możliwość pomiaru stopnia polaryzacji spinowej elektronów emitowanych z próbki.

Kto będzie decydował o rodzaju badań prowadzonych na polskim synchrotronie?

– Nasz synchrotron będzie działał w takim samym trybie, jak główne synchrotrony na świecie, czyli duża część czasu pomiarowego będzie przydzielana przez międzynarodowy zespół ekspertów związanych z naszym synchrotronem, który oceni wnioski, by wyniki naukowe były najwyższej jakości.

Wspomniał Pan Profesor, że dobiegają końca prace mające na celu uruchomienie dwóch linii badawczych, a docelowo ma powstać ich kilkanaście. Czy to oznacza, że jest takie zapotrzebowanie?

– Tak, zapotrzebowanie jest duże. Kilka lat temu zrobiliśmy sondę wśród polskich naukowców – głównie fizyków, chemików i biologów – jakimi liniami byliby zainteresowani. Dostaliśmy sporo odpowiedzi, dzięki temu mamy wiele pomysłów. Moglibyśmy uruchomić dużo więcej linii, niż jesteśmy w stanie tam zmieścić. Co ciekawe, mamy niemało sygnałów od naszych sąsiednich krajów dotyczących wspólnej lub częściowej linii badawczej, np. stacji końcowej z Czechami, przynajmniej dwa projekty wspólne szykują się też z Niemcami. Naukowcy z Niemiec mają wprawdzie swój synchrotron, lecz nasz jest bardzo nowoczesny i zakres oraz rodzaj promieniowania, który wytwarza, jest dla nich bardzo cenny. Ale przede wszystkim potrzebne są decyzje finansowe, bo synchrotron z trzema liniami to synchrotron ułomny. Ma sens, gdy jest ich co najmniej kilkanaście.

Autorzy: Agnieszka Sikora
Fotografie: Agnieszka Sikora, Michał Domański