Por mais de 25 anos, os intensos raios-X da Advanced Photon Source permitiram avanços importantes. Com uma atualização massiva em andamento, os cientistas serão capazes de ver coisas em uma escala nunca vista antes.

Todo avanço científico começa com uma observação. Cerca de 125 anos atrás, nosso poder de observar se expandiu muito com a descoberta da luz invisível conhecida como raios-X. Muitos de nós os conhecemos como uma técnica de digitalização médica, mas os raios X mais poderosos nos dão a capacidade de examinar até mesmo os materiais mais densos e ver os átomos dentro deles.

No Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Raios-X excepcionalmente poderosos ajudam os principais cientistas do mundo a resolver problemas complexos relacionados a tecnologias de energia limpa, pesquisa de clima, medicina e muitas outras áreas.

Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), um DOE Office of Science User Facility, produziu seu primeiro raio-X em 1995. Desde então, o APS permitiu descobertas em quase todas as disciplinas de pesquisa científica, incluindo estudos que ganharam os prêmios Nobel de química em 2009 e 2012.

Uma ferramenta poderosa que abrange o espectro da ciência

O APS é uma fonte líder mundial de raios-X de alta energia, conhecidos como raios-X duros. Esses raios intensamente brilhantes são a chave para imaginar as propriedades da matéria para que possamos entendê-las, melhorá-los e reinventá-los. Em qualquer dia no APS, um feixe de raios-X pode ser focado nas proteínas que constituem um patógeno, como o coronavírus, cristais de sal de rocha de lítio para baterias de carregamento rápido, os micróbios presentes no solo ou mesmo uma partícula de combustível nuclear irradiado.

Já uma das máquinas mais complexas tecnologicamente do mundo, o APS está passando por uma atualização revolucionária. Assim que a atualização for concluída, a instalação será capaz de gerar raios X até 500 vezes mais brilhantes do que é possível hoje. Isso permitirá que os cientistas observem uma série de fenômenos com muito mais detalhes e, muitas vezes, em intervalos de tempo medidos em bilionésimos de segundos.

"Se você quiser entender os materiais em um nível atômico, veja como os átomos estão organizados, como eles se movem e como mudam - os raios-X que produzimos aqui são ferramentas essenciais para fazer isso acontecer, "disse Jonathan Lang, diretor da Divisão de Ciência de Raios-X da Argonne.

O APS gera raios-X por meio de um acelerador de partículas em forma de anel. Partículas subatômicas chamadas elétrons se movem em torno do anel, dirigido por ímãs. À medida que os elétrons se movem através de matrizes magnéticas especiais chamadas onduladores, eles emitem fótons, que são partículas de luz. Os fótons são então canalizados para uma das muitas linhas de luz APS disponíveis para os pesquisadores, cada um usado para um propósito científico específico.

O trabalho que está sendo feito na APS, que hospeda anualmente cerca de 5, 500 acadêmicos, pesquisadores de laboratório e da indústria de todo o mundo, serve a uma variedade de objetivos científicos. Ajuda os pesquisadores a entender os processos que sustentam as baterias e a energia nuclear, por exemplo. As percepções do APS também informam o projeto de motores a jato mais eficientes e técnicas para fazer hidrogênio a partir da água, pavimentando o caminho para combustível de hidrogênio limpo para carros e eletricidade. Tudo isso está ajudando a nação a se mover em direção a um futuro de carbono zero para mitigar as mudanças climáticas.

Recentemente, o APS tem sido fundamental na pesquisa sobre SARS-CoV-2, o vírus que causa COVID-19, iluminando a estrutura de suas proteínas. As proteínas do vírus têm sido usadas como base de vacinas que estimulam uma resposta imunológica no corpo. Este é o último de uma série de descobertas biomédicas auxiliadas pelo APS, incluindo um medicamento promissor para tratar o ebola e novos caminhos para combater o câncer com quimioterapia.

"O APS é ótimo em contribuir com amplos conjuntos de conhecimentos para muitas disciplinas diferentes, "disse Lang. Um exemplo que ele apontou é o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos menores que precisam de menos energia para operar, um esforço que se baseia em estudos de materiais realizados na APS. "Todo o conhecimento que estamos adquirindo aqui sobre como colocar as coisas juntas e como organizar os átomos contribui para as bases de tudo, desde baterias avançadas a tratamentos para o câncer."

Um novo 'estado da arte'

O APS, que é financiado pelo programa Office of Science Basic Energy Sciences do DOE, era o que há de mais moderno quando foi lançado on-line na década de 1990. Essa instalação precisa ser construída não apenas para o momento, mas nas próximas décadas.

"O design original do APS foi feito com premeditação suficiente que só agora, quase 30 anos no futuro, que estamos explorando totalmente todos os recursos da instalação atual, "disse Stephen Streiffer, Diretor adjunto do laboratório de ciência e tecnologia de Argonne e diretor da APS.

A atualização planejada envolverá a substituição completa do anel de armazenamento de elétrons por um novo, modelo mais poderoso. Isso resultará em uma resolução mais precisa para cientistas como Mary Upton, um físico de Argonne que trabalha com cientistas visitantes em experimentos na linha de luz 27-ID. Os pesquisadores dessa linha de luz geralmente se concentram em materiais magnéticos que são os blocos de construção da memória do computador.

"Estamos entrando em um momento emocionante na APS, "Upton disse." O que já era um instrumento incrivelmente preciso na linha de luz 27-ID se tornará ainda mais poderoso com a atualização. Os insights resultantes irão expandir as capacidades de todos os nossos dispositivos eletrônicos. "

Mas este é apenas o começo da história. Outras linhas de luz que oferecem aos usuários técnicas baseadas em imagens de raios-X verão melhorias que igualam a melhoria no brilho dos raios-X, permitindo que digitalizem volumes até 500 vezes maiores do que atualmente possível.

"Esta é a diferença entre, por exemplo, ser capaz de examinar a anatomia de um minúsculo pedaço do cérebro de um rato, versus ser capaz de examinar a coisa toda. Só então você pode realmente entender o que está olhando, "Streiffer explicou.

A nova fonte de raios-X permitirá medições mais rápidas e abrangentes. Pegue a eletroquímica em uma bateria, por exemplo. Os elétrons se movem rapidamente de uma extremidade a outra quando as baterias são carregadas e descarregadas. Mas ao longo dos dias, semanas ou anos, outras mudanças na química da bateria ocorrem à medida que ela é usada. O brilho aumentado tornará possível ver essa imagem maior.

"A atualização do APS permitirá a ciência em escalas com as quais nem sequer podemos sonhar agora, "disse Dennis Mills, vice-diretor de laboratório associado para ciência de fótons em Argonne. "O brilho aumentado, bem como a capacidade de focar esses feixes brilhantes em tamanhos incrivelmente pequenos, abrirá novos caminhos de descoberta que levarão a inovações importantes em uma série de campos. "

Os feixes mais brilhantes também irão acelerar muito a pesquisa, tornando possíveis experiências anteriormente inviáveis ​​em minutos ou horas. "Se você levar uma hora para coletar dados, ao invés de um mês inteiro, isso faz um mundo de diferença, "Disse Lang." Isso é o que a atualização vai nos permitir fazer. "

Luz mais brilhante, mais dados

A taxa de melhoria das fontes de luz nas últimas décadas ultrapassou a taxa de aumento da velocidade dos computadores, observou Streiffer. É por isso que o Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), outro DOE Office of Science User Facility, é um ativo fundamental.

"Fontes de luz representam um grande desafio de dados, "Streiffer disse." Ter nossa experiência e, em seguida, o poder computacional do ALCF é um fator chave de sucesso para poder usar o APS atualizado e produzir ciência. "

Agora mesmo, o APS coleta aproximadamente 5 petabytes de dados brutos por ano - 1 petabyte é um milhão de gigabytes. Com a atualização, esse número aumentará para centenas de petabytes por ano. O próximo supercomputador Aurora, que chega em 2022, irá complementar o aumento de dados.

"Aurora e outros sistemas ALCF serão críticos para o processamento e compreensão dos dados gerados na era de atualização do APS, "disse Nicholas Schwarz, principal cientista da computação da Argonne.

O ALCF e o APS serão conectados por meio de uma rede de alta velocidade para permitir a troca de conjuntos de dados massivos. Este acoplamento de instrumentos APS e supercomputadores ALCF permitirá a análise em tempo real para ajudar os cientistas a tomar decisões de experimentos cruciais, Disse Schwarz.

Já, cientistas da Argonne aplicaram inteligência artificial para prever e reconstruir dados de raios-X mais rápido do que os métodos tradicionais. Este tipo de trabalho, junto com o aumento de potência disponível com Aurora, ajudará o ALCF a acompanhar o fluxo do APS atualizado.

"A inteligência artificial afetará todos os aspectos da operação APS, desde o controle da estabilidade do anel de armazenamento atualizado até o alinhamento automático das amostras no feixe de raios-X, "Schwarz disse.

Se as últimas três décadas servirem de indicação, os pesquisadores encontrarão maneiras de usar o APS atualizado para realizar avanços que nem mesmo podemos imaginar hoje. Nos primeiros dias do APS, Streiffer notou, poucos pensaram que o APS seria útil para determinar a estrutura de uma proteína.

A sabedoria convencional afirma que se você colocar um cristal de proteína no feixe, seria vaporizado antes que você pudesse obter quaisquer dados úteis. Em vez de, o APS se tornou um grande lar para este tipo de biologia estrutural, graças a métodos experimentais meticulosos que permitem aos biólogos medir uma amostra sem destruí-la.

"O APS fala sobre um dos aspectos da ciência que o torna tão desafiador, mas também tão gratificante, "Streiffer disse." Você nunca tem certeza do que vai descobrir. "