Da química à ciência dos materiais e à pesquisa do COVID-19, o APS é uma das fontes de luz de raios-X mais produtivas do mundo. Uma atualização o tornará um líder global entre a próxima geração de fontes de luz, abrindo novas fronteiras na ciência.

Nos quase 25 anos desde a Advanced Photon Source (APS), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility, inaugurado no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, ele desempenhou um papel essencial em algumas das descobertas e avanços mais importantes da ciência.

Mais de 5, 000 pesquisadores de todo o mundo conduzem experimentos na APS todos os anos, e seu trabalho tem, entre muitos outros sucessos notáveis, pavimentou o caminho para melhores baterias renováveis; resultou no desenvolvimento de vários novos medicamentos; e ajudou a tornar os veículos mais eficientes, materiais de infraestrutura mais fortes e eletrônicos mais potentes.

A pesquisa conduzida na APS também levou diretamente a dois prêmios Nobel, e contribuiu para um terceiro. Mais recentemente, a APS está fazendo contribuições significativas na luta contra o COVID-19. Suas linhas de luz estão envolvidas em pesquisas para identificar as estruturas de proteínas do vírus e encontrar potenciais tratamentos farmacêuticos e / ou vacinas. Esse trabalho deixa clara a importância contínua das fontes de luz de raios-X, como o APS, na resolução de problemas críticos para o nosso mundo.

No entanto, embora o APS ainda seja uma das instalações de pesquisa mais proeminentes de seu tipo, o anel de armazenamento de elétrons que está em seu coração foi projetado no início dos anos 1980 e, tão inovador como era na época, agora depende de tecnologia ultrapassada.

"Depois de 25 anos, o desafio é como continuar a tornar o APS um lugar interessante e útil para os pesquisadores? "perguntou Jim Kerby, diretor de projeto para a atualização APS (APS-U), que veio a Argonne para ajudar a responder a essa pergunta. "Como podemos criar uma instalação que continua a fornecer oportunidades de trabalho que não podem ser feitas em nenhum outro lugar?"

Enquanto o APS se prepara para passar por uma atualização de $ 815 milhões que irá, já no final de 2023, possibilitar a ciência em uma escala completamente nova e sem precedentes, a equipe APS em Argonne e os milhares de pesquisadores que ela apóia estão olhando para o futuro com entusiasmo - mesmo que ninguém possa saber completamente a gama completa de oportunidades científicas que o aguardam.

"A atualização do APS nos permitirá realizar novos experimentos que mal podemos imaginar agora. Será transformacional, "disse Jonathan Lang, o diretor da APS X-ray Science Division (XSD).

"De Usain Bolt a um F-15"

O APS funciona como um microscópio gigante de raios-X. Ele produz raios X extremamente brilhantes que podem perscrutar materiais densos e iluminar a estrutura e a química da matéria nos níveis molecular e atômico. Como parte da atualização, o anel de armazenamento circular de 1,1 quilômetro existente será substituído e as linhas de luz de raios-X e outros equipamentos serão atualizados, criando uma instalação de raios-X muito mais poderosa e uma produção de raios-X mais brilhante.

O brilho dos raios X será até 500 vezes maior do que a máquina atual, disse Kerby, e irá melhorar significativamente o desempenho.

"Isso é difícil para qualquer um realmente imaginar, "Kerby disse." É como ir de Usain Bolt, um velocista recordista mundial de atletismo conhecido por ser um dos homens mais rápidos da Terra, para um caça F-15. Ambos são rápidos, mas são dois tipos de velocidade muito diferentes. Os experimentos que antes eram impossíveis de realizar em um período de tempo realista agora serão conduzidos em minutos a horas. "

Outro grande aprimoramento envolve a coerência do feixe, que se relaciona com a forma como a luz de raios-X é ordenada. Lang disse que passará de algo como um holofote que produz um amplo feixe de luz para algo muito mais parecido com um laser.

De acordo com Stephen Streiffer, vice-diretor de laboratório para ciência e tecnologia, diretor de laboratório associado interino da Photon Sciences, e diretor da APS, a coerência é especialmente importante:"Os raios X de alta energia que são ultrabrilhantes com uma coerência muito alta nos permitirão experimentos em ambientes reais, não apenas ambientes de modelo. "

Streiffer disse que é essencial que a nova fonte de raios-X permita medições em várias escalas físicas e de tempo. "Pense em explorar a eletroquímica em uma bateria. Vai de um nanossegundo com átomos se difundindo em um ambiente local até mudanças macroscópicas na bateria ao longo dos dias, semanas ou mesmo anos. Com o brilho aumentado, poderemos ver a imagem inteira. "

Lang apontou para outro ângulo. "Atualmente, você só pode ver uma pequena parte de um material, e isso leva muito tempo. Com a atualização, obteremos alta resolução e um amplo campo de visão. Por exemplo, para entender as propriedades mecânicas em materiais policristalinos, você quer ver como os elementos são distribuídos em torno dos limites dos grãos entre os cristais, mas você também deseja ver como um grande número de limites de grãos se compara. Isso permitirá que os pesquisadores vejam muito mais células, de maneiras que podem melhorar drasticamente os materiais estruturais usados ​​nas indústrias automotiva e aeroespacial. "

Com o brilho mais alto, Lang disse, também virá uma imensa carga de dados. "Mas temos computação de alto desempenho no campus, o que é uma grande sinergia. Eles podem processar os números para lidar com os dados. É uma fonte e um recurso exclusivos muito próximos." E com o novo supercomputador Aurora previsto para estrear em 2021, haverá ainda mais oportunidades de aproveitar os recursos incomparáveis ​​da Argonne.

Bob Hettel, o diretor do projeto APS-U, esteve envolvido no projeto do APS atual enquanto trabalhava no SLAC National Accelerator Laboratory. Ele disse que é um momento muito emocionante para a tecnologia de raios-X, particularmente com os avanços no design do anel de armazenamento, e a APS “surgiu com uma abordagem agressiva que aprimora e aprimora o que outros têm feito nas últimas duas décadas”.

Para Hettel, o maior desafio é que não há um único obstáculo técnico, mas sim a integração de tantos componentes diferentes. "Há um milhão de peças móveis. Mas estamos nos envolvendo com a comunidade de usuários, e temos os melhores técnicos do mundo em várias áreas que se uniram para fazer tudo funcionar. "

Kerby disse que o primeiro APS seria encerrado em junho de 2022 - mas não até que todas as peças da nova máquina tenham sido verificadas e estejam prontas para serem montadas no lugar da máquina antiga - com o APS atualizado voltando online cerca de um ano mais tarde. Nesse ponto, ele disse, os usuários terão que recalibrar completamente como eles pensam sobre quais experimentos científicos são possíveis.

Muda todo o jogo

Conal Murray é um membro da equipe de pesquisa do IBM Watson Research Center em Nova York que teve seu primeiro tempo de feixe no APS há mais de 20 anos, e que tem voltado quase todos os anos desde então.

Sua pesquisa atual envolve engenharia de tensão em transistores de geração futura. Os avanços neste campo são importantes para o dimensionamento de dispositivos em aplicações que variam de smartphones a computação de alto desempenho, onde uma maior densidade de transistor pode ser alcançada enquanto aumenta a funcionalidade geral.

"A coerência e o brilho aprimorados nos permitirão fazer medições de dispositivos reais, não apenas estruturas representativas. Só podíamos fazer isso com a atualização APS, "Murray disse." Mas estou tão animado com os resultados inesperados que virão com esta atualização. Não saberemos todos os benefícios até que ele seja construído e operando. "

Para Gayle Woloschak, um cientista pesquisador da Northwestern University, o APS-U permitirá que ela "pule para o próximo nível do que podemos fazer. Seremos capazes de fazer uma varredura rápida das células, um número significativo em um curto espaço de tempo. "Isso aumentará enormemente o número de pacientes que podem ser rastreados e fornecerá uma compreensão muito melhor do que ocorre durante o tratamento.

Para pesquisadores como Stephan Hruszkewycz, na divisão de Ciência de Materiais da Argonne, os raios X no APS são uma das únicas maneiras de ver como os materiais se comportam sob condições extremas, que é essencial para atender a uma série de desafios de energia. "A atualização é uma grande oportunidade para a ciência dos materiais. Com as características aprimoradas e com a adoção de novos métodos, seremos capazes de olhar para os materiais em um estado que nos dá uma ideia muito mais rica de como eles estão se transformando em ambientes extremos. "

Si Chen, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne que trabalha principalmente com aplicações biológicas, disse que o APS-U também envolverá melhorias importantes no equipamento. "Uma das coisas mais importantes não é apenas a atualização em si, mas todos os novos instrumentos para usar o brilho que a atualização vai fornecer. "

Chen disse que a estação final de raios-X com a qual ela trabalha atualmente pode estudar algumas células por dia; usando uma nova máquina de segunda geração após a atualização, isso aumentará para milhares de células por dia. "Seremos capazes de coletar dados muito mais rápido, e essa população maior aumentará a confiança nas conclusões da pesquisa. "

Ela acrescentou que a nova máquina permitirá aos pesquisadores atingir um foco de 10 nanômetros - que é de seis a oito mil vezes menor do que um único fio de cabelo humano.

A Equipe de Acesso Colaborativo do Nordeste (NE-CAT) opera duas linhas de luz no APS, financiado pelo National Institutes of Health e atendendo a 600-700 usuários exclusivos. Malcolm Capel, Vice-diretor NE-CAT, concordou que várias transições terão de ocorrer ao mesmo tempo. "Nossos sistemas de controle têm 20 anos, também. Teremos novo software e mais documentação de nossos sistemas para os usuários. "

Laurence Lurio é presidente do departamento de física da Northern Illinois University, cujo trabalho envolve o exame de materiais biológicos, como proteínas e lipídios. Ele disse que a coerência do feixe aprimorada permitirá que sua equipe de pesquisa se concentre mais na ciência do que na técnica.

"O mais empolgante com a atualização é que deixaremos de fazer muito desafiador, medições baseadas na técnica para algo que é muito mais fácil e conveniente de fazer. A técnica deve ser fácil o suficiente para que você possa olhar para a ciência. Se você está se esforçando muito para fazer uma medição, não consegue olhar para as aplicações importantes. "

Lurio acrescentou que, se não fosse pela APS e o apoio do DOE, tal trabalho inovador não seria possível. "Vindo de uma universidade de médio porte, não temos um orçamento enorme para infraestrutura de pesquisa. E isso provavelmente é verdade para universidades de pesquisa ainda maiores. Mas todos nós podemos vir para o APS e de repente ter a melhor ferramenta do mundo para fazer um experimento. A disponibilidade desta facilidade muda todo o jogo. "

Em terreno sólido por mais 25 anos

O potencial para futuras descobertas essenciais como resultado da atualização é virtualmente ilimitado. Os exemplos podem incluir sistemas revolucionários para converter a luz solar em energia e armazenar essa energia; mecanismos detalhados pelos quais os poluentes se movem pelo solo; limpador, biocombustíveis mais eficientes; uma compreensão transformacional da estrutura do núcleo interno da Terra; novos medicamentos para tratar infecções resistentes a antibióticos; e uma melhor compreensão de como o cérebro processa e armazena informações com os neurônios.

Kerby disse não ter dúvidas de que a atualização produziria muitos exemplos espetaculares de ciência inovadora. Mas adicionado, "O que é realmente importante não são os exemplos específicos; é a oportunidade de ir em direções que as pessoas não haviam pensado anteriormente, ou tinha cancelado. "

E essa, disse Lang, é, em última análise, o objetivo da atualização.

“Queremos garantir que o APS seja relevante por mais 25 anos, "Disse Lang." Em 10 a 15 anos, as pessoas começarão a ter novas ideias. A atualização do APS colocará Argonne em terreno sólido no mundo por mais 25 anos. Você não pode prever o futuro muito mais longe do que isso. "