Synchrotron to rodzaj akceleratora kołowego, czyli urządzenia, w którym przyspiesza się cząstki i cząstki te poruszają się po okręgu - w przeciwieństwie do akceleratorów liniowych, w których przyspieszone cząstki poruszają się po linii prostej. W synchrotronie SOLARIS przyspieszane są elektrony. Gdy tor ruchu elektronów (poruszających się z szybkością bliską szybkości światła w próżni) jest zakrzywiany (tak by elektrony poruszały się po okręgu), powstaje promieniowanie elektromagnetyczne zwane światłem synchrotronowym. Następnie światło to wyprowadzane jest na zewnątrz synchrotronu i trafia do linii badawczych, gdzie na stanowiskach pomiarowych jest wykorzystywane do badań naukowych.

Czym zatem jest synchrotron? To urządzenie, które produkuje światło wykorzystywane do prowadzenia badań w wielu przyrodniczych i technicznych dziedzinach nauki.

Synchrotrony są urządzeniami wyjątkowymi, ponieważ wytwarzają niezwykłe światło (promieniowanie) synchrotronowe. Unikalne właściwości tego światła to m.in. ogromna intensywność - jest ono miliony razy jaśniejsze od światła, które dociera do Ziemi ze Słońca. Ponadto promieniowanie synchrotronowe zawiera fale elektromagnetyczne od podczerwieni, przez światło widzialne i ultrafiolet aż do światła rentgenowskiego. Dzięki temu naukowcy mogą badać na bardzo wiele sposobów zarówno powierzchnie, jak i wnętrza różnych materiałów. W ten sposób dowiadują się, jak te materiały są zbudowane, jaki mają skład chemiczny oraz właściwości elektryczne czy magnetyczne.

Unikalne właściwości światła synchrotronowego sprawiają, że wiele pomiarów można przeprowadzić wyłącznie przy jego wykorzystaniu. Pozwala ono również zdobyć w krótszym czasie więcej lepszych jakościowo informacji niż przy użyciu tradycyjnych źródeł światła. Ponadto synchrotrony działają siedem dni w tygodniu, 24 godziny na dobę, co czyni z nich prawdziwe fabryki badań. Ogrom stwarzanych przez nie możliwości badawczych powoduje, że są one wykorzystywane przez wiele dziedzin nauki, takich jak biologia, chemia, fizyka, inżynieria materiałowa, nanotechnologia, medycyna, farmakologia, geologia czy krystalografia.

Synchrotron SOLARIS jest największym w Polsce urządzeniem umożliwiającym prowadzenie badań naukowych. Jest to również pierwsze i jedyne synchrotronowe źródło światła w Europie Środkowej.

Krakowski synchrotron został wybudowany według innowacyjnego projektu specjalistów ze szwedzkiego ośrodka MAXIV Laboratory i przy wykorzystaniu najnowocześniejszych technologii. Dzięki temu krążąca w nim wiązka elektronów ma znakomite parametry przy stosunkowo niewielkich rozmiarach pierścienia akumulacyjnego. A to z kolei stawia krakowski synchrotron w czołówce urządzeń tego typu na świecie.

Synchrotron SOLARIS jest całkowicie bezpieczny dla otoczenia. Gdy urządzenie pracuje, akcelerator liniowy i pierścień akumulacyjny wytwarza szkodliwe dla ludzi promieniowanie elektromagnetyczne. Jednakże urządzenia te znajdują się w tunelach, które służą jako osłona radiologiczna. Tunele są również zabezpieczone specjalnymi systemami kontroli dostępu, które uniemożliwiają przebywanie w nich ludzi podczas pracy synchrotronu. Dodatkowo wszystkie miejsca, w których z pierścienia akumulacyjnego wyprowadzane są linie badawcze, obudowane zostały specjalnymi klatkami ołowianymi oraz wzmocnione dodatkowymi ściankami z ołowiu. Nad bezpieczeństwem ludzi, którzy pracują w ośrodku i odwiedzają go, czuwa inspektor ochrony radiologicznej. Specjalne stacje pomiarowe monitorują poziom promieniowania w sposób ciągły, 24 godziny na dobę. Cyklicznie przeprowadzane są również pomiary dozymetryczne przy użyciu przenośnych radiometrów. Celem tych pomiarów jest zarówno weryfikacja osłon stałych, jak i terenów ogólnodostępnych, nadzorowanych  i kontrolowanych, które w miarę potrzeb są wyznaczane, odgradzane i specjalnie znakowane.

Zarówno synchrotrony jak i cyklotrony przyspieszają cząstki naładowane (elektrony, protony, jony). Urządzenia takie nazywamy akceleratorami kołowymi, czyli takimi, w których cząstki poruszają się po okręgu - w przeciwieństwie do akceleratorów liniowych, gdzie cząstki poruszają się po linii prostej.

W Krakowie znajduje się zarówno synchrotron, jak i cyklotron. Różnica między nimi polega głównie na rodzaju przyspieszanych cząstek. Synchrotron SOLARIS znajdujący się w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego na Kampusie 600-lecia Odnowienia Uniwersytetu Jagiellońskiego przyspiesza elektrony. Cyklotrony znajdujące się w Centrum Cyklotronowym Bronowice (Instytut Fizyki Jądrowej PAN) przyspieszają głównie protony, ale także lekkie jony (takie jak deuter czy cząstki alfa). W synchrotronie SOLARIS najpierw elektrony krążące w pierścieniu akumulacyjnym wytwarzają promieniowanie elektromagentyczne (światło synchrotronowe), a następnie to promieniowanie jest wykorzystywane do prowadzenia badań. W przypadku cyklotronu same przyspieszone cząstki są wykorzystywane do badań - strzela się nimi w analizowaną próbkę. Krakowski cyklotron służy również celom medycznym (leczeniu nowotworów: przyspieszone protony używa się do napromieniowania nowotworów oka, a tym samym do ich niszczenia).

Informacje o tym jak działa synchrotron, jakie linie badawcze są dostępne oraz jakie badania można zrobić na synchrotronie dowiesz się z broszury informacyjnej: do pobrania tutaj.

Projektowanie nowych leków i szczepionek wymaga precyzyjnego poznania budowy cząsteczek odpowiedzialnych za rozwój chorób. W tym celu naukowcy na całym świecie wykorzystują badania synchrotronowe. Pozwalają one zobaczyć kształt i budowę atomową białek i innych biomolekuł z niezwykłą dokładnością – blisko atomową. Dzięki promieniowaniu synchrotronowemu możliwe jest określenie, w jaki sposób lek lub składnik szczepionki wiąże się z celem w organizmie człowieka. Badania tego typu odegrały istotną rolę m.in. w rozwoju leków przeciwnowotworowych, terapii HIV, walce z chorobami neurodegeneracyjnymi oraz szczepionek opartych na białkach wirusowych, w tym przeciwko COVID-19. Eksperymenty synchrotronowe wspierają także rozwój tzw. leków inteligentnych, które działają precyzyjnie w miejscu choroby i ograniczają skutki uboczne. Takie badania przyspieszają opracowywanie skuteczniejszych terapii, skracają czas diagnozy i zwiększają szanse pacjentów na wyleczenie. 

Żródło: SOLARIS, linia badawcza SMAUG, Cryo-EM.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Wizualizacja wirusa SARS-CoV-2 w powiększeniu mikroskopowym.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

 

Według danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) nowotwór złośliwy jest globalnym problemem zdrowotnym, z rosnącą liczbą zachorowań. Rak trzustki należy do najbardziej śmiertelnych nowotworów, ponieważ przez długi czas rozwija się bez wyraźnych objawów, a jego wykrycie następuje często dopiero w zaawansowanym stadium choroby. Skuteczna i szybka diagnostyka ma więc kluczowe znaczenie dla rokowania pacjentów. Naukowcy na synchrotronie opracowali nowatorskie podejście do analizy tkanek trzustki łączące obrazowanie w podczerwieni z algorytmami uczenia maszynowego. Głównym celem było opracowanie modelu bazowego do przyszłych zastosowań klinicznych aby skrócić okres oczekiwania pacjentów na diagnozę. Badania prowadzone z wykorzystaniem infrastruktury synchrotronowej umożliwiają precyzyjną klasyfikację typów tkanek nowotworowych i zdrowych. To w przyszłości może realnie wesprzeć lekarzy w podejmowaniu decyzji terapeutycznych oraz przyczynić się do rozwoju nowych metod leczenia w onkologii. 

Źródło: SOLARIS, linia badawcza CIRI.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Obraz próbki tkanki pobranej podczas operacji wraz z powiększeniami pokazującymi kluczowe zmiany: miejsce styku zdrowej i nowotworowo zmienionej tkanki ze stanem zapalnym (B), duży obszar obumarłej tkanki otoczony komórkami nowotworowymi (C) oraz fragment zdrowej tkanki z niewielkim stanem zapalnym i obecnością krwi (D).

Źródło: doi:10.7150/ijbs.83068

Wraz z rosnącym zużyciem energii elektrycznej, szczególnie w elektromobilności i odnawialnych źródłach energii, gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na wydajne i bezpieczne systemy magazynowania energii. Rozwój nowej generacji baterii i akumulatorów wymaga dokładnego poznania procesów zachodzących w ich wnętrzu podczas ładowania i rozładowywania. W tym celu naukowcy coraz częściej sięgają po badania synchrotronowe. Promieniowanie synchrotronowe umożliwia obserwację zmian strukturalnych i chemicznych w materiałach elektrod w czasie rzeczywistym, na poziomie atomowym. Dzięki temu możliwe jest badanie degradacji materiałów, migracji jonów oraz powstawania defektów odpowiedzialnych za spadek pojemności baterii – tzw. starzenia się baterii/akumulatorów. Badania prowadzone z wykorzystaniem infrastruktury synchrotronowej wspierają projektowanie nowych składów elektrod i elektrolitów, które pozwolą tworzyć baterie o większej pojemności, dłuższej żywotności i wyższym poziomie bezpieczeństwa. 

Źródło: SOLARIS, linia badawcza PIRX.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Zdjęcia z mikroskopu elektronowego pokazują materiał o dwóch skalach budowy: bardzo drobne ziarenka, mające zaledwie kilka nanometrów, oraz większe cząstki przykrywające ich powierzchnię. Całość ma tendencję do łączenia się w większe skupiska, które mogą osiągać nawet ponad 5 mikrometrów.

Źródło: doi.org/10.1016/j.ensm.2022.02.038
 

Kryzys energetyczny, wywołany m.in. rosnącymi cenami paliw kopalnych, uzależnieniem od importu i niestabilnością polityczną, uwydatnia kluczową rolę czystej energii (OZE). To sprawia, że naukowcy intensywnie poszukują nowych sposobów jej wytwarzania. Produkcja wodoru bez emisji dwutlenku węgla to jedno z kluczowych wyzwań transformacji energetycznej. Pierwiastek ten uznawany jest za paliwo przyszłości. W odpowiedzi na to wyzwanie naukowcy opracowali nowy materiał katalityczny, który pod wpływem światła umożliwia wytwarzanie wodoru z prostych związków organicznych. Promieniowanie synchrotronowe pozwoliło dokładnie przeanalizować budowę katalizatora oraz zachowanie atomów miedzi na powierzchni tlenku tytanu w trakcie reakcji. Dzięki temu możliwe było wyjaśnienie mechanizmu powstawania wodoru i wskazanie czynników decydujących o wydajności procesu. Takie badania wspierają rozwój nowych technologii energetycznych, które mogą w przyszłości odegrać ważną rolę w transformacji energetycznej i ochronie klimatu.

Żródło: SOLARIS, linia badawcza ASTRA.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Na ilustracji pokazano dwa rodzaje danych dotyczących reakcji chemicznej zachodzącej pod wpływem światła.
Wykres (a) pokazuje, jakie produkty powstają podczas naświetlania metanolu. Każdy pik oznacza inną substancję tworzącą się w reakcji.
Wykres (b) porównuje, jak różne formy miedzi pochłaniają promieniowanie, co pozwala rozpoznać, jaki rodzaj miedzi znajduje się w badanej próbce.

Źródło: doi: 10.1016/j.cej.2023.145687

Większość współczesnych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony czy komputery, opiera się na układach scalonych wytwarzanych z monokrystalicznego krzemu. Materiał ten stał się podstawą elektroniki dzięki metodzie opracowanej ponad sto lat temu przez polskiego naukowca Jana Czochralskiego. Wraz z rozwojem technologii rośnie jednak zapotrzebowanie na materiały o lepszych właściwościach elektrycznych, cieplnych i mechanicznych. W tym celu naukowcy prowadzą zaawansowane badania materiałowe z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. Na liniach badawczych wyposażonych w mikroskopy możliwa jest analiza struktury i składu materiałów w skali nanometrycznej. Pozwala to ocenić ich stabilność i przydatność do zastosowań w elektronice. Badania te wspierają rozwój nowych materiałów, takich jak MXeny, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie jako alternatywa dla krzemu w układach scalonych nowej generacji. MXeny są także szczególnie odporne na promieniowanie, dlatego mogą być wykorzystane np. do budowy elektroniki wykorzystywanej na misjach kosmicznych. 

Żródło, SOLARIS linia badawcza DEMETER, komercyjny bank fotografii.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Na ilustracji pokazano obrazy próbki zawierającej kobalt, wykonane za pomocą mikroskopii rentgenowskiej. Towarzyszą im mapy pokazujące, gdzie w materiale znajdują się atomy niklu i kobaltu. Ostatnia mapa łączy oba te obrazy, dzięki czemu można łatwo zobaczyć, jak rozmieszczone są oba pierwiastki.

Żródło: Zastosowanie - DEMETER, doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.057

Postępujące zmiany klimatu i skażenie środowiska sprawiają, że potrzebujemy nowych technologii oraz lepszego zrozumienia procesów zachodzących w przyrodzie. Zanieczyszczenie wód związkami chemicznymi i barwnikami stanowi wyzwanie dla ekosystemu i zdrowia człowieka. Dlatego naukowcy poszukują metod, które pozwolą usuwać szkodliwe substancje w sposób skuteczny i bezpieczny. Korzystając z synchrotronu badano nowy materiał (NVO i NVO/rGO), który wykorzystując energię światła, rozkłada zanieczyszczenia obecne w wodzie. Wykazano, że może on usuwać różne typy szkodliwych substancji, zarówno te pochodzące z przemysłu, jak i związki chemiczne występujące w ściekach. Promieniowanie synchrotronowe pozwoliło dokładnie sprawdzić, jak zbudowany jest ten materiał i dlaczego działa tak skutecznie. Dzięki temu możliwe będzie jego ulepszenie, a w przyszłości wprowadzenie rozwiązania oczyszczania wody z wykorzystaniem energii słonecznej. 

Źródło: SOLARIS, linia badawcza ASTRA.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Wykres (a) pokazuje, jak atomy wanadu zachowują się na powierzchni badanego materiału. Dzięki analizie widma można określić ich stan chemiczny.
Wykres (b) przedstawia, jak zmienia się pochłanianie promieniowania przez wanad w zależności od jego stopnia utlenienia, co pozwala ocenić, w jakiej formie występuje w próbce.

Źródło: doi: 10.1038/s41598-023-31130-9

 

Ochrona zabytków i dzieł sztuki wymaga metod badawczych, które pozwalają dokładnie poznać ich skład i strukturę bez ryzyka uszkodzenia cennych obiektów. Promieniowanie synchrotronowe umożliwia nieniszczącą analizę materiałów w skali mikro i nano, pozwalając określić skład chemiczny pigmentów czy zapraw  oraz zidentyfikować procesy degradacji zachodzące w czasie. Techniki synchrotronowe pozwalają także ujawniać elementy niewidoczne gołym okiem, takie jak przemalowania czy szkice ukryte pod warstwami farby. Znanym przykładem są odkrycia dotyczące obrazów Vincenta van Gogha, a podobne analizy prowadzone są również w SOLARIS, gdzie badania próbek z obiektów muzealnych – m.in. przekrojów warstw malarskich – pomagają rozpoznawać skład materiałów i oceniać procesy ich degradacji. Wyniki wspierają opracowywanie skutecznych strategii konserwatorskich i pomagają podejmować świadome decyzje, umożliwiając zachowanie bezcennych obiektów dla przyszłych pokoleń.

Źródło: SOLARIS, linia badawcza CIRI.

 Źródło: komercyjny bank fotografii.

 Próbka pobrana z obiektu przed pomiarem.

Niedobór mikroelementów w glebie stanowi jedno z istotnych wyzwań współczesnego rolnictwa, zwłaszcza w warunkach postępujących zmian klimatu i degradacji gleb. W ramach badań prowadzonych przez polskich naukowców analizowano mechanizmy pozwalające roślinom funkcjonować w środowisku o nierównomiernej dostępności pierwiastków niezbędnych do ich prawidłowego wzrostu. Wykorzystując techniki badań synchrotronowych możliwe było szczegółowe prześledzenie transportu cynku w systemie korzeniowym roślin. Badania wykazały że rośliny potrafią aktywnie przemieszczać ten mikroelement z obszarów gleby zasobnych w cynk, do stref w których jego stężenie jest niewystarczające. To pozwala im rozwijać się mimo częściowo niesprzyjających warunków. Wyniki tych badań mogą w przyszłości wspierać rozwój bardziej efektywnych metod nawożenia oraz przyczynić się do stabilniejszej i bardziej zrównoważonej produkcji żywności.

Źródło: SOLARIS, linia badawcza POLYX.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Na ilustracji pokazano zestaw korzeni rosnących w różnych rodzajach podłoża - jednolitym i zmiennym, przy podwyższonych stężeniach cynku. Kolory na obrazku pokazują intensywność sygnału związanego z obecnością cynku; najniższe wartości odpowiadają poziomowi tła.

Żródło: doi: 10.1186/s12870-025-07391-z 

Nowoczesne technologie coraz częściej opierają się na materiałach o właściwościach, których nie da się uzyskać w skali makro. Przykładem są nanocząstki złota, które mogą mieć zupełnie inne właściwości niż ten sam materiał w „zwykłej” postaci. Dzięki temu znajdują zastosowanie m.in. w nowoczesnej elektronice, czujnikach i technologiach medycznych. Aby móc projektować takie materiały świadomie, naukowcy muszą dokładnie zrozumieć, jak zachowują się w nich elektrony. W tym celu wykorzystuje się badania synchrotronowe, które pozwalają szczegółowo opisać rozkład gęstości i prędkości elektronów w strukturze materiału, a to wyjaśnia ich właściwości. Badania wykazały, że po wzbudzeniu światłem nanocząstki złota mogą wytwarzać elektrony o bardzo wysokiej energii, które można wykorzystać np. w fotowoltaice, fotokatalizie i terapii nowotworowej. Takie badania pomagają tworzyć nowe materiały o zaprojektowanych parametrach, które mogą być wykorzystywane w technologiach przyszłości.

Źródło: SOLARIS, linia badawcza PHELIX.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Na wykresie porównano dwa pomiary pokazujące, jak elektrony zachowują się w badanym materiale tuż po pobudzeniu go światłem. Linia bazowa energii została ustawiona w punkcie, w którym elektrony są jeszcze związane z materiałem. Zielony impuls świetlny przedstawiono jako gładkie, szerokie pasmo, które pokazuje, z jaką energią próbka została oświetlona.

Żródło:  DOI: 10.1038/s41467-025-57657-1

Pochodzenie wody na Ziemi pozostaje jednym z najważniejszych pytań współczesnej nauki, ponieważ woda jest warunkiem istnienia życia. Jedna z hipotez zakłada, że mogła zostać dostarczona na Ziemię przez komety, jednak dotychczasowe pomiary nie są wystarczające, by rozstrzygnąć ten problem. W odpowiedzi na to wyzwanie powstaje misja HYADES, której celem jest badanie komet i porównanie ich składu z wodą obecną na Ziemi. Kluczowym etapem przygotowań są testy instrumentów pomiarowych, prowadzone z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. Podobne badania wspierają także rozwój urządzeń przygotowywanych do obserwacji Słońca z kosmosu (misja BRAXIS). Dzięki wykorzystaniu synchrotronu można sprawdzić, czy takie urządzenia działają poprawnie i czy będą gotowe do pracy w trudnych warunkach przestrzeni kosmicznej. Badania synchrotronowe pomagają więc tworzyć technologie, które umożliwiają poznawanie Układu Słonecznego i lepsze zrozumienie historii naszej planety.

Źródło: SOLARIS, linia badawcza URANOS, linia badawcza ASTRA.

 Źródło: https://www.eso.org/public/images/eso1820a/

Wizualizacja satelity z misji kosmicznej HYADES.

Źródło: HYADES – Hydrogen and Deuterium Survey.

Bezpieczeństwo kosmetyków i produktów pielęgnacyjnych wymaga ścisłej kontroli ich składu, zwłaszcza na etapie doboru surowców. Jednym z potencjalnych zagrożeń mogą być śladowe ilości metali ciężkich, w tym ołowiu lub kadmu, które mogą pojawić się w składnikach pochodzenia mineralnego lub w mieszaninach surowców. Naukowcy korzystając z synchrotronów  i metod analitycznych wykrywają takie zanieczyszczenia nawet w bardzo małych stężeniach. Wyniki badań wspierają kontrolę jakości oraz zmniejszają ryzyko narażenia konsumentów na niepożądane substancje. Badania prowadzone na synchrotronach umożliwiają odpowiedzialną produkcję zdrowych kosmetyków i realnie wpływają na bezpieczeństwo ich codziennego stosowania.

Źródło: SOLARIS, linia badawcza POLYX.

Źródło: komercyjny bank fotografii.

Próbki surowców kosmetycznych w formie tabletek tuż przed analizą XRF na linii POLYX. 
 

Żródło: fot. Paweł Wróbel, DOI: 10.1016/j.sab.2025.107276