Uma linha de luz de raios-X de próxima geração agora operando no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) reúne um conjunto exclusivo de recursos para medir as propriedades de materiais em nanoescala.

Chamado COSMIC, para Espalhamento Coerente e Microscopia, esta linha de raio-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab (ALS) do Berkeley Lab permite que os cientistas investiguem baterias em funcionamento e outras reações químicas ativas, e revelar novos detalhes sobre magnetismo e materiais eletrônicos correlacionados.

COSMIC tem dois ramos que se concentram em diferentes tipos de experimentos de raios-X:um para experimentos de imagem de raios-X e outro para experimentos de espalhamento. Em ambos os casos, Os raios X interagem com uma amostra e são medidos de uma forma que fornece, estrutural, químico, eletrônico, ou informações magnéticas sobre as amostras.

A linha de luz também se destina a ser uma ponte tecnológica importante para a atualização ALS planejada, apelidado de ALS-U, isso maximizaria suas capacidades.

Agora, após um ramp-up no primeiro ano durante o qual a equipe testou e ajustou seus componentes, espera-se que os resultados científicos de seus primeiros experimentos sejam publicados em periódicos ainda este ano.

Um estudo publicado no início deste mês na revista Nature Communications , com base principalmente no trabalho em uma linha de luz ALS relacionada, demonstrou com sucesso uma técnica conhecida como tomografia computadorizada ptychographic que mapeou a localização das reações dentro de baterias de íons de lítio em 3-D. Esse experimento testou a instrumentação que agora está permanentemente instalada nas instalações de imagem COSMIC.

"Este resultado científico surgiu do esforço de P&D que levou ao COSMIC, "disse David Shapiro, um cientista da equipe do Grupo de Sistemas Experimentais (ESG) no ALS do Berkeley Lab e o principal cientista dos experimentos de microscopia do COSMIC.

Esse resultado foi possível graças aos investimentos da ALS em P&D, e colaborações com a Universidade de Illinois em Chicago e com o Centro de Matemática Avançada para Aplicações de Pesquisa de Energia do Berkeley Lab (CAMERA), ele notou.

"Nosso objetivo é fornecer uma classe totalmente nova de ferramentas para as ciências dos materiais, bem como para as ciências ambientais e da vida, "Shapiro disse. Ptychography atinge resolução espacial mais fina do que o tamanho do ponto de raios-X por recuperação de fase de dados de difração coerentes, e "O ALS fez isso com resolução espacial recorde mundial em duas e agora três dimensões, " ele adicionou.

A técnica de tomografia ptychographic que os pesquisadores usaram neste último estudo permitiu-lhes visualizar os estados químicos dentro de nanopartículas individuais. Young-Sang Yu, autor principal do estudo e cientista ESG, disse, "Observamos um pedaço de um cátodo de bateria em 3-D com uma resolução sem precedentes para raios X. Isso fornece uma nova visão sobre o desempenho da bateria tanto no nível de partícula única quanto em porções estatisticamente significativas de um cátodo de bateria."

COSMIC está focado em uma gama de raios-X "suaves" ou de baixa energia que são particularmente adequados para a análise da composição química dentro de materiais

A tomografia Ptychographic pode ser particularmente útil para observar componentes celulares, bem como baterias ou outros materiais quimicamente diversos em detalhes extremos. Shapiro disse que o feixe de raios-X no COSMIC está focado em um ponto de cerca de 50 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro; Contudo, A pticografia pode aumentar a resolução espacial rotineiramente por um fator de 10 ou mais. O trabalho atual foi realizado com um feixe de 120 nanômetros que alcançou uma resolução 3-D de cerca de 11 nanômetros.

O feixe de raios-X do COSMIC também é mais brilhante do que a linha de luz ALS que foi usada para testar sua instrumentação, e ficará ainda mais brilhante quando o ALS-U estiver concluído. Esse brilho pode se traduzir em uma resolução em nanoescala ainda maior, e também pode permitir muito mais precisão em experimentos dependentes do tempo.

Fazer uso eficiente desse brilho requer detectores rápidos, que são desenvolvidos pelo grupo de detectores ALS. O detector atual pode operar a uma taxa de dados de até 400 megabytes por segundo e agora pode gerar alguns terabytes de dados por dia - o suficiente para armazenar cerca de 500 a 1, 000 filmes de longa-metragem. Detectores de última geração, a ser testado em breve, produzirá dados 100 vezes mais rápido.

"Esperamos ser a linha de luz com mais dados intensivos no ALS, e um componente importante do COSMIC é o desenvolvimento de matemática avançada e computação capaz de reconstruir rapidamente as informações dos dados à medida que são coletados, "Shapiro disse.

Para desenvolver essas ferramentas COSMIC juntamente com CAMERA, que foi criado para trazer matemática e computação de última geração para as instalações científicas do DOE.

O diretor da CAMERA, James Sethian, disse:"Construir algoritmos avançados em tempo real e o código de reconstrução pticográfica de alto desempenho para COSMIC foi um esforço de vários anos de grande sucesso entre matemáticos, Cientistas da computação, engenheiros de software, especialistas em software, e cientistas da linha de luz. "

O código que a equipe desenvolveu para melhorar a imagem fotográfica no COSMIC, apelidado de SHARP, agora está disponível para todas as fontes de luz em todo o complexo DOE. Para COSMIC, o código SHARP é executado em um cluster de unidade de processamento gráfico (GPU) gerenciado pelos serviços de computação de alto desempenho do Berkeley Lab.

Além da pticografia, COSMIC também está equipado para experimentos que usam espectroscopia de correlação de fótons de raios-X, ou XPCS, uma técnica que é útil para estudar flutuações em materiais associados a propriedades magnéticas e eletrônicas exóticas.

COSMIC permite que os cientistas vejam essas flutuações ocorrendo em milissegundos, ou milésimos de segundo, em comparação com incrementos de tempo de vários segundos ou mais nas linhas de luz predecessoras. Uma nova estação final COSMIC com campo magnético aplicado e recursos criogênicos está sendo construída, com os primeiros testes definidos para começar neste verão.

Os cientistas já usaram os recursos de imagem do COSMIC para explorar uma variedade de nanomateriais, materiais de ânodo e cátodo da bateria, cimentos, copos, e filmes finos magnéticos, Shapiro disse.

"Ainda estamos no modo de aprender e ajustar, mas o desempenho é fantástico até agora, "disse ele. Ele deu crédito à tripulação do ALS, liderado pelo cientista do ESG Tony Warwick, para trabalhar rapidamente para deixar o COSMIC atualizado. "É notável obter um desempenho tão alto em tão pouco tempo."