Największy laser w zasięgu UAM

Fotografia w nagłówku
dr Wojciech Gawełda
dr Wojciech Gawełda

Z dr Wojciechem Gawełdą z Wydziału Fizyki UAM rozmawia Magda Ziółek

Na stronach internetowych przeczytałam, że pracuje Pan na największym i najpotężniejszym laserze rentgenowskim XFEL jednym z czterech takich na świecie. To robi wrażenie!

Od ponad 8 lat pracuję w Hamburgu w zespole naukowym, który odpowiedzialny był za zaprojektowanie i zbudowanie jednej ze stacji badawczych FXE (Femtosecond X-ray Experiments) dostępnych w laboratorium European XFEL. Obecnie (od września 2017) ten sam zespół pomaga użytkować gotową już aparaturę badawczą innych naukowcom, którzy przyjeżdżają do European XFEL z całego świata. To miejsce jest bardzo szczególne pod wieloma względami. European XFEL to nazwa nowopowstałego laboratorium, które zbudowane zostało w ścisłej współpracy międzynarodowej 12 państw europejskich (Niemcy, Rosja, Dania, Wlk. Brytania, Francja, Szwajcaria, Szwecja, Polska, Słowacja, Węgry, Hiszpania, Włochy). Każde z tych państw członkowskich wyłożyło środki finansowe włączając się do budowy laboratorium, a zwłaszcza lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach (X-ray Free Electron Laser), bowiem tak brzmi poprawna nazwa  tej nowoczesnej maszyny, która budowana była przez około 8 lat (2009-2017) i pochłonęła ponad 1,2 miliarda euro. To właśnie z uwagi na tak wysoki koszt budowy tego laser zdecydowano realizować to przedsięwzięcie we współpracy międzynarodowej, aczkolwiek strona niemiecka pokryła 57% kosztów, w związku z czym European XFEL zlokalizowany jest na terenie Niemiec w pobliżu renomowanego laboratorium DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), które od ponad 50 lat jest jedynym z liderów w dziedzinie fizyki wysokich energii i akceleratorowej.

Zobacz: Dr Anna Przekoracka. Laboratorium na placu zabaw

Co to za laser? Przeczytałam, że umożliwia obserwacje reakcji chemicznych i procesów atomowych w czasie rzeczywistym? Co to onzacza?  

Europejski laser rentgenowski na swobodnych elektronach (European XFEL) to nie tylko nowe laboratorium dla użytkowników, ale przede wszystkim właśnie ten unikatowy laser rentgenowski o niezrównanych parametrach technicznych. W odróżnieniu do laserów w zakresie widzialnych czy podczerwonym, European XFEL oparty jest na technologii akceleratorowej i generuje wiązkę światła o 1000 razy krótszej długości fali (rzędu 0.1 nm, gdzie 1 nm = 10-9 m a więc jedna miliardowa część metra) niż konwencjonalne lasery, które znamy z życia codziennego czy laboratoriów uniwersyteckich. Sam laser jest ogromny, mierzy ponad 3 km długości i jest zlokalizowany w specjalnie wydrążonych w tym celu podziemnych tunelach, co również przyczyniło się do tego, że jego budowy trwała tak długo. Mniej więcej 2/3 długości lasera to liniowy akcelerator, a więc urządzenie służące do przyspieszania elektronów do relatywistycznych prędkości, czyli bardzo bliskich prędkości światła. To oznacza, że wiązka elektronów nabiera bardzo wysokiej energii, rzędu kilkunastu GeV (1 GeV = 109 eV, dla porównania pojedynczy foton w zakresie optycznym ma energię zaledwie kilku elektronowoltów). Tak przyspieszona i wysokoenergetyczna wiązka elektronów wpuszczana jest następnie w pole magnetyczne wytworzone przez tzw. undulatory, a więc urządzeniach, w których relatywistyczne elektrony poruszają się w periodycznym polu magnetycznym po trajektorii zbliżonej do sinusoidy. Zmiana kierunku biegu elektronów jest formą przyspieszenia i stąd elektrony emitują promieniowanie elektromagnetyczne o wysokim natężeniu i bardzo krótkiej długości fali, a więc również w zakresie rentgenowskim. W dużym skrócie tak powstaje ta unikatowa wiązka rentgenowska, która dodatkowo, bez wdawania się w szczegóły, charakteryzuje się bardzo wysokim natężeniem, o wiele rzędów wielkości przewyższającym natężenia uzyskiwane w synchrotronach, oraz wysoką spójnością przestrzenną (=koherencją przestrzenną) i częściową spójnością czasową (=koherencją czasową). To właśnie te właściwości pozwalają fizykom nazywać uzyskiwane promieniowane rentgenowskie z XFELa promieniowaniem laserowym. Ponadto ważną cechą jest również to, że jest ono impulsowe, a więc energia promieniowania skupiona jest w niezwykle krótkich impulsach o femtosekundowym czasie trwania ile femtosekund (1 femtosekunda, 1 fs = 10-15 s). To sprawia, że moc szczytowa tego lasera jest ogromna i przewyższa jakiekolwiek źródło promieniowania rentgenowskiego dotychczas dostępne naukowcom. Dzięki ultrakrótkiej długości impulsów uzyskiwanych w XFELu możliwe jest przeprowadzanie badań dynamicznych procesów fizyko-chemicznych, które charakteryzuję się podobnie krótkimi czasami życia np.: powstawania i zrywania wiązań chemicznych w trakcie reakcji chemicznych czy zmian struktury elektronowej bądź atomowej podczas przejść fazowych. Ponadto wiązki rentgenowskie o tak wysokim natężeniu i stopniu koherencji przestrzennej znajdują wiele zastosowań w obrazowaniu struktur atomowych złożonych makrocząsteczek biologicznych, np.: białek czy jeszcze większych nanoobiektów, takich jak układy komórkowe czy wirusy. Potencjalnych zastosowań jest mnóstwo, nie tylko w fizyce czy chemii, ale przede wszystkim w biologii strukturalnej i molekularnej, naukach o materiałach czy naukach o życiu. I choć pierwszy laser rentgenowski na swobodnych elektronach, który powstał w laboratorium SLAC przy Uniwersytecie Stanford w Stanach Zjednoczonych, liczy sobie dopiero niecałe 9 lat (pierwsza akcja laserowa została uzyskana w 2009 r.), już można z pewnością powiedzieć, że lasery rentgenowskie zrewolucjonizowały szeroko pojętą dziedzinę badań strukturalnych materii w dowolnym stanie, od fazy gazowej po ciała stałe. Oprócz amerykańskiego XFELa (Linear Coherent Light Source, LCLS, https://lcls.slac.stanford.edu) istnieje również mniejszy laser w Japonii (SACLA, http://xfel.riken.jp/eng/) oraz od zeszłego roku kolejny laser został uruchomiony w Pohang w Korei Płd. (PAL-XFEL, http://pal.postech.ac.kr/paleng/). A więc aktualnie wraz z European XFEL oddanych w ręce społeczności naukowej są cztery laser rentgenowskie, z których bez wątpienia laser europejski jest najnowocześniejszą maszyną o nieporównywalnych parametrach wiązki rentgenowskiej.

Wspomniał Pan, że ten nowy laser ma duży potencjał badawczy i może doprowadzić do wielu nowych odkryć. Jakiego typu mogą to być odkrycia. I jakich odkryć chciałby dokonać Pan?

Owszem, tak jak wspominałem zastosowanie promieniowania rentgenowskiego, o tak wysokich natężeniach, ultrakrótkiej długości trwania impulsu oraz dodatkowo o wysokiej spójności przestrzennej otwiera zupełnie nowe i dotychczas niewykorzystane możliwości badań strukturalnych, w reżimie czasowo-rozdzielczym, a więc z możliwością nie tylko rejestrowania struktur atomowych badanej materii, ale również ich dynamicznych zmian w ultrakrótkich odstępach czasu, porównywalnych lub nawet krótszych niż skale czasowe procesów fizyko-chemicznych zachodzących w tym czasie. Jednym ze sztandarowych zastosowań tego typu promieniowania może być rejestrowanie tzw. „filmów molekularnych”, a więc sekwencji obrazów zmieniających się struktur atomowych cząsteczki podczas przebiegu reakcji chemicznej. Tego typu filmy charakteryzować się będą atomową rozdzielczością przestrzenną oraz bardzo wysoką rozdzielczością czasową. Dopiero teraz, kiedy będziemy w stanie zmierzyć cały przebieg reakcji chemicznej oraz wyróżnić wszystkie, nawet przejściowe struktury atomowe w nią zaangażowane, będziemy w stanie zrozumieć w pełni mechanizmy tych reakcji i, co ważniejsze, pozwoli to nam również na ich kontrolowanie. Kolejnym bardzo ważnym zastosowaniem jest nanokrystalografia białek, która już dostarczyła wielu kluczowych odkryć w dziedzinie badań strukturalnych układów biologicznych. Jedną z kluczowych zalet używania XFELa do badań struktury białek jest możliwość pomiaru dyfrakcyjnego w układach trudno krystalizujących lub takich, których w ogóle nie można w fazie krystalicznej otrzymać, np.: białka błonowe. W obu przypadkach oczekiwania są bardzo wysokie, ale trudno tu jeszcze mówić o konkretnych przykładach przełomowych odkryć. Na to z pewnością musimy jeszcze trochę zaczekać. Ważne jest jednak to, że środowisko naukowe już dostrzegło niebywały potencjał, jaki wniosły do nauk doświadczalnych te nowoczesne źródła promieniowania rentgenowskiego. Dodatkowym argumentem może być również fakt, że aktualnie kolejny laser rentgenowski jest w fazie uruchamiania w okolicach Zurychu w Szwajcarii (SwissFEL, https://www.psi.ch/media/swissfel), a więc do końca 2018 r. będzie już w sumie 5 takich urządzeń dostępnych dla naukowców.

Osobiście zainteresowany jestem wykorzystaniem laserów rentgenowskich do badań dynamiki reakcji chemicznych w fazie ciekłej w różnego rodzaju kompleksach metali przejściowych. A więc jestem jednym z tych naukowców, którzy już w niedalekiej przyszłości rejestrować będą „filmy molekularne”!

Prowadzi Pan badania w dziedzinie odnawialnych źródeł energii. Czego spodziewa się Pan po badaniach prowadzonych w Hamburgu? Jakie potencjalne zastosowania wyników tych badań widzi Pan w przyszłości.

Mam bardzo szerokie zainteresowania naukowe a układy molekularne, którymi się zajmuję, często znajdują zastosowanie technologiczne lub być może je znajdą w najbliższej przyszłości. Tak jest w przypadku układów tzw. fotosensybilizatorów (fotouczulaczy). Są to układy molekularne (cząsteczki) złożone z kompleksów metali (zawierających Fe, Cu, Ru lub Ir), które najczęściej połączone są w jakiś sposób z inną cząsteczką lub powierzchnią półprzewodnika lub nanocząsteczka półprzewodnikową. Funkcja, jaką spełnia fotouczulacz, to konwersja energii światła słonecznego na energię elektryczną (a więc prąd elektryczny) lub energię chemiczną. Ta konwersja pozwala wykorzystywać jedno z najpotężniejszych źródeł odnawialnej energii dostępne na Ziemi, a więc Słońce. Po przekształceniu energii doprowadzonej do fotouczulacza w postaci fotonów światła słonecznego w energię zmagazynowaną w elektronach może być ona wykorzystana do wielu różnorakich procesów chemicznych, np. katalizy procesu rozszczepiania wody, redukcji azotu cząsteczkowego do amoniaku czy utleniania metanu do metanolu. Energia elektryczna uzyskiwana w procesach konwersji, które zachodzą w fotosensybilizatorach, znalazły również szerokie zastosowanie w ogniwach fotowoltaicznych. Celem moich badań będzie pełniejsze poznanie procesów fizyko-chemicznych odpowiedzialnych za wydajną konwersję w nowej grupie cząsteczek opartej na metalach Fe i Cu. Wykorzystując w tym celu XFEL mam nadzieję poznać szczegółowy obraz zachodzących zmian w strukturze elektronowej i atomowej tych związków, co z kolei ma szanse umożliwić syntezę kolejnych ulepszonych związków.

Słyszałam, że tworzy Pan własny zespół badawczy na Wydziale Fizyki UAM. Jak jest tematyka Pana najnowszego projektu?

Tematyka jest związana właśnie z zastosowaniem impulsowego promieniowania rentgenowskiego generowanego w laserach rentgenowskich i synchrotronach do badań dynamiki struktury atomowej układów molekularnych w fazie ciekłej. Do grupy kompleksów, którymi planuję się zajęć, należy właśnie grupy związków fotouczulaczy, o których już wspomniałem. Dodatkowo, planuję badania nad tzw. wysokowalencyjnymi kompleksami metali. To bardzo osobliwa forma układów molekularnych, w których atomu metalu znajdujący się w kompleksie występuje w bardzo wysokim stanie utlenienia. Dla przykładu, jony żelaza najczęściej przyjmują formę Fe2+ lub Fe3+, podczas gdy w tego typu związkach, którymi planuję się zajmować, postuluje się występowanie form żelaza w stopniach utlenienie +IV, +V a nawet +VI. Wielu przypadkach kompleksy wysokoutlenionych metali są niezwykle reaktywne, a to powoduje, że ich czasy życia często są bardzo krótkie. Myślę, że przy wykorzystaniu laserów rentgenowskich uda mi się zarejestrować ich struktury i opisać ich własności elektronowe, co być może pozwoli lepiej zrozumieć szereg ważnych procesów katalitycznych, w które są zaangażowane w chemii koordynacyjnej oraz biochemii.

Pomysł założenia zespołu naukowego pojawił się w pod koniec 2016 r. kiedy zdecydowałem się przystąpić do konkursu grantowego Narodowego Centrum Nauki. Z uwagi na fakt, że Polska jest również państwem członkowskim European XFEL, postanawiałem przyczynić się do rozpowszechnienia tego instrumentu w polskim środowisku naukowym. Pomyślałem, że najlepszym sposobem na tego typu „popularyzację” będzie założenie grupy naukowej w Polsce, starania się o czas pomiarowy w laboratorium w Hamburgu i ostatecznie rozpoczęciu programu naukowego angażując w to młodych polskich naukowców. Osobiście założenie zespołu naukowego w Poznaniu ma dla mnie szczególny wymiar. Sam urodziłem się w Poznaniu, gdzie ukończyłem studia na Wydziale Fizyki UAM. Ciekawe jest to, że moją pracę magisterską realizowałem pod kierownictwem śp. prof. dr hab. Franciszka Kaczmarka oraz aktualnego prorektora ds. nauki i spraw międzynarodowych, prof. dr hab. Ryszarda Naskręckiego. Po ukończeniu studiów magisterskich wyjechałem z Polski, aby realizować studia doktoranckie w Hiszpanii a następnie w Szwajcarii. Po kilkuletnim stażu naukowym w Szwajcarii i Hiszpanii przeniosłem się do Niemiec, gdzie pracowałem przy budowie a aktualnie eksploatacji stacji badawczej FXE. Dla mnie to w pewnym sensie powrót do moich korzeni naukowych. To właśnie w Zakładzie Elektroniki Kwantowej po raz pierwszy usłyszałem o femtosekundowych laserach (w tym przypadku optycznych) i tutaj nauczyłem się, czym jest fizyka doświadczalna. To naprawę niesamowite uczucie wrócić po tylu latach na Wydział Fizyki UAM i w otoczeniu tylu znajomych twarzy rozpocząć tworzenie własnego zespołu badawczego!

Wszystkich zainteresowanych współpracą z dr Wojciechem Gawełdą zapraszamy na stronę:

Post-doc (1 etat): https://www.ncn.gov.pl/baza-ofert/?akcja=wyswietl&id=177325
Doktoranci (2 etaty): https://www.ncn.gov.pl/baza-ofert/?akcja=wyswietl&id=177326

Nauka Wydział Fizyki