Poznański fizyk w European XFEL

Fotografia w nagłówku
European XFEL
European XFEL

Mierzy ponad 3 km długości, czyli tyle, ile dzieli budynek Collegium Maius z Kampusem na Ogrodach, i jest zlokalizowany w specjalnie wydrążonych podziemnych tunelach. Jego moc szczytowa przewyższa jakiekolwiek inne dostępne naukowcom źródło promieniowania rentgenowskiego. Mowa o European XFEL, czyli Europejskim laserze rentgenowskim na swobodnych elektronach, który we wrześniu ubiegłego roku został uruchomiony w pobliżu renomowanego laboratorium DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) w Hamburgu.

Prace nad uruchomieniem tego kolosa trwały prawie 8 lat i pochłonęły, bagatela, 1,2 miliarda euro. W zespole naukowym odpowiedzialnym za uruchomienie, a obecnie obsługę jednej ze stacji badawczych European XFEL (FXE, Femtosecond X-ray Experiments), uczestniczy dr Wojciech Gawełda, od niedawna pracownik Wydziału Fizyki UAM.

To niezwykłe laboratorium zbudowane zostało w ścisłej współpracy międzynarodowej 12 państw europejskich (Niemcy, Rosja, Dania, Wlk. Brytania, Francja, Szwajcaria, Szwecja, Polska, Słowacja, Węgry, Hiszpania, Włochy). Choć pierwszy tego typu laser, który powstał w laboratorium SLAC przy Uniwersytecie Stanford w Stanach Zjednoczonych, liczy sobie dopiero niecałe 9 lat już można z pewnością powiedzieć, że tego typu urządzenia zrewolucjonizowały dziedzinę badań strukturalnych materii w dowolnym stanie, od fazy gazowej po ciała stałe.

dr Wojciech Gawełda

W odróżnieniu do laserów w zakresie optycznym, 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 laboratoriów uniwersyteckich. Mniej więcej 2/3 długości lasera to liniowy akcelerator, służący do przyspieszania elektronów do relatywistycznych prędkości, a więc bardzo bliskich prędkości światła. Dzięki ultrakrótkiemu czasowi trwania impulsów uzyskiwanych w XFELu możliwe jest przeprowadzanie badań dynamicznych procesów fizyko-chemicznych, które charakteryzują się podobnie krótkimi czasami życia, np.: powstawania i zrywania wiązań chemicznych w trakcie reakcji chemicznych czy zmian struktury elektronowej bądź atomowej podczas przejść fazowych.

Potencjalnych zastosowań tego typu badań jest wiele, nie tylko w fizyce czy chemii, ale przede wszystkim w biologii strukturalnej i molekularnej, naukach o materiałach czy naukach o życiu. Jednym z nich jest rejestrowanie tzw. „filmów molekularnych”, a więc sekwencji obrazów zmieniających się struktur atomowych cząsteczek podczas przebiegu reakcji chemicznej. Tego typu filmy charakteryzować się będą atomową rozdzielczością przestrzenną oraz bardzo wysoką rozdzielczością czasową. To stwarza nowe możliwości poznawcze i pozwoli naukowcom zmierzyć cały przebieg reakcji chemicznej oraz wyróżnić wszystkie, nawet przejściowe struktury atomowe w nią zaangażowane. Dzięki temu możliwe będzie pełniejsze zrozumienie mechanizmów tych reakcji i, co ważniejsze, pozwoli to również na ich kontrolowanie.

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

Jednym z badań, które obecnie realizuje dr Gawełda, a  które znajdują lub mogą znaleźć niedługo zastosowanie, są układy tzw. fotouczulaczy odpowiedzialnych za konwersję 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 katalizy procesu rozszczepiania wody lub redukcji azotu cząsteczkowego do amoniaku czy utleniania metanu do metanolu. Energia elektryczna generowana przy użyciu fotouczulaczy znalazła również szerokie zastosowanie w ogniwach fotowoltaicznych.

Część z tych pomysłów dr Gawełda będzie realizował w Poznaniu, gdzie właśnie zbiera swój zespół badawczy. Pomysł 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 lasera 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 – mówi dr Gawełda.

Tematyka jest związana 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 będzie się zajmował, należą wspomniane wyżej związki fotouczulaczy. Dodatkowo planuje też badania nad tzw. wysokowalencyjnymi kompleksami metali. Dzięki wykorzystaniu laserów rentgenowskich możliwy będzie pomiar ich struktury i opisanie ich własności elektronowych co pozwoli lepiej zrozumieć szereg ważnych procesów katalitycznych spotykanych w chemii koordynacyjnej oraz biochemii.

Jak mówi Poznań jest dla niego miejscem szczególnym.  Urodziłem się w Poznaniu, tu 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 Szwajcarii oraz staż naukowy w Hiszpanii. Następnie  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 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!

Chętnych to współpracy z dr Wojciechem Gawełdą zapraszamy na naszą stronę: www.uniwersytetckie.pl

Nauka Wydział Fizyki