کار لورن هچر تماماً در مورد ساخت فیلم از کریستال است. تیم او با استفاده از روش‌های پراش پرتو ایکس درجا، به دنبال درک چگونگی تأثیر تغییرات دینامیکی در سطح مولکولی بر خواص ماکروسکوپی است. او می‌گوید: «اگر درک بهتری از آنچه در حال وقوع است دارید، می‌توانید سعی کنید از آن به نفع خود استفاده کنید» و کار او به انجام این کار کمک می‌کند.
مانند بسیاری از کریستالوگراف ها، هچر دوست دارد که روی داده ها پازل کند تا ساختار سه بعدی مواد کریستالی را کنار هم بگذارد. یک سال کار در GlaxoSmithKline به عنوان بخشی از مدرک کارشناسی خود را با مطالعه تکنیک های مختلف کریستالیزاسیون قبل از ادامه تحصیل در کریستالوگرافی برای Ph.D. او می گوید: “شما این کریستال های زیبا را رشد می دهید و آنها مانند جواهرات می درخشند.” “اما همیشه من را شگفت زده می کند که چگونه می توانید اطلاعات زیادی از چیزی به این کوچکی بدست آورید.”
امروزه، کار هچر اساساً بر مطالعه مولکول‌های کوچک و فعال نوری، مانند سوئیچ‌های عکس، که بین ایزومرها هنگام قرار گرفتن در معرض نور تغییر می‌کنند، متمرکز است. این تیم روش‌های جدیدی را در کریستالوگرافی با تفکیک زمانی و سریال برای مطالعه تغییرات در ساختار بلوری چنین مولکول‌هایی در زمان واقعی توسعه داده‌اند. هچر می‌گوید: «ما در تلاش هستیم تا واکنش‌های شیمیایی در کریستال را ردیابی کنیم تا بتوانید تصویری سه‌بعدی از آنچه در حال وقوع است در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه دریافت کنید. به عنوان مثال، اگر ماده ای فتوکرومیک باشد، می خواهید بدانید چه چیزی در ساختار آن باعث تغییر رنگ می شود.
برای انجام این کار، یک منبع نور، مولکول‌های موجود در کریستال را قبل از اینکه پراش سنج ساختار را با اشعه ایکس بررسی کند، تحریک می‌کند. LED های ساده نصب شده در پراش سنج می توانند پالس های طولانی نور را ارائه دهند، در حالی که پالس های بسیار کوتاه فقط با استفاده از لیزرهای فوق سریع امکان پذیر است. برای برآوردن نیازهای منبع اشعه ایکس، تیم عمدتاً از تأسیسات سنکروترون، مانند منبع نور الماس در بریتانیا بازدید می‌کنند. هچر خاطرنشان می کند که قدرت پالس های اشعه ایکس در این تاسیسات به طور مداوم در حال افزایش است، که می تواند باعث آسیب تدریجی به کریستال شود یا حتی کریستال را به طور کامل از بین ببرد.
همیشه من را شگفت زده می کند که چگونه می توان از چیزی به این کوچکی اطلاعات زیادی به دست آورد
هچر می‌گوید: «کریستالوگراف‌های ماکرومولکولی معمولاً با این مسائل جلوتر هستند، زیرا کار با کریستال‌های آنها معمولاً دشوارتر است. زمانی که آسیب کریستال برای ساختن یک ساختار سه بعدی کامل خیلی سریع اتفاق می افتد، این دانشمندان باید با استفاده از تکنیک هایی مانند کریستالوگرافی سریال داده ها را در مورد کریستال های متعدد جمع آوری کنند.
یک سری عکس فوری
تیم هچر از روش‌های مشابهی برای مطالعه کریستال‌های مولکول کوچک خود استفاده کرد. به جای آزمایش‌های استاندارد اشعه ایکس تک کریستالی، این تیم شبکه‌ای از چاه‌های 20 در 20 را بر روی یک پراش سنج نصب کردند. سپس به هر کریستال شات به شات ضربه می زنید و برای هر تصویر داده به کریستال متفاوتی تغییر می دهید. هچر توضیح می‌دهد که ترکیب تصاویر از بسیاری از کریستال‌ها به شما امکان می‌دهد مجموعه داده‌های کاملی را ایجاد کنید.» برای مطالعات زمان‌بندی شده، اندازه‌گیری‌های مکرر در نقاط زمانی مختلف، مجموعه‌ای از عکس‌های فوری سه‌بعدی ایجاد می‌کند که می‌توانند مانند فریم‌های یک فیلم به هم بچسبند.
هچر توضیح می‌دهد: «فراموش کردن این نکته بسیار آسان است که هر اندازه‌گیری که انجام می‌دهید، میانگین زمان لازم برای اجرای آزمایش و میانگین آماری تعداد مولکول‌های فوتواکتیو در کریستالی است که در حال روشن کردن آن هستید.» او می افزاید که دیدن تغییرات تک تک مولکول ها در پاسخ به نور با این تنظیمات آزمایشی امکان پذیر نیست، اما چگونه ترکیب این تغییرات بر ساختار کلی سه بعدی و پویایی جمعیت در کریستال تأثیر می گذارد. ترکیب این آزمایش با داده های طیف سنجی و محاسباتی نمای کلی تری از آنچه در حال وقوع است ارائه می دهد.
هچر می‌گوید: «ما یک ابزار سفارشی داریم که در آزمایشگاه خود ساخته‌ایم که می‌تواند با سرعت میلی‌ثانیه کاوش کند. اما ما همچنین در حال انجام کارهای زیادی در Diamond Light Source در بریتانیا هستیم تا در مقیاس زمانی زیر میکروثانیه کار کنیم.
این تیم در حال گسترش استفاده از این روش به مواد دیگر، از جمله مواد حساس به نور مورد استفاده برای کاربردهای انرژی خورشیدی، و همچنین مواد پیروالکتریک که گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، است. مطالعه تغییرات درجا در کریستال ها در پاسخ به فشار بالا یا قرار گرفتن در معرض گاز نیز ممکن است امکان پذیر باشد، اما هچر خاطرنشان می کند که چنین آزمایش هایی در حال حاضر رایج نیستند و نیاز به همکاری با سایر محققان دارد. هچر می‌گوید: «همچنین فرصت‌های زیادی برای ساده‌سازی یادگیری ماشین وجود دارد، نه فقط پردازش داده‌ها، بلکه در واقع نحوه جمع‌آوری داده‌ها».
در این سال، هچر جایزه جورج شلدریک را از انجمن کریستالوگرافی اروپا به دلیل مشارکت های پیشگامانه اش در کریستالوگرافی حل شده با زمان دریافت کرد. او همچنین جایزه هریسون-ملدولا Early Career را از انجمن سلطنتی شیمی به دلیل کار پیشگامانه اش با فتوکریستالوگرافی بلادرنگ دریافت کرد. هچر می‌گوید: «فکر می‌کنم این جوایز واقعاً نشان‌دهنده تلاش مشترک مورد نیاز برای موفقیت این آزمایش‌ها است، نه تنها از سوی دانشجویان و فوق‌دکتری‌های من، بلکه از سوی تیم‌های موجود در تأسیسات سنکروترون». “گاهی اوقات شب های بسیار دیر یا نوبت کاری وجود دارد که در آن زمان مشخصی برای استفاده از تجهیزات تخصصی به شما داده می شود.”
این تیم اکنون با تأسیسات لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس در اروپا کار می کند تا آزمایش هایی را با پالس های نوری به سرعت فمتوثانیه انجام دهد تا امیدواریم مراحل اولیه واکنش های فتوشیمیایی خاص را تجسم کند.
