Una línea de rayos X de próxima generación que ahora opera en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) reúne un conjunto único de capacidades para medir las propiedades de los materiales a nanoescala.

Llamado COSMIC, para microscopía y dispersión coherente, esta línea de rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab de Berkeley Lab permite a los científicos sondear baterías que funcionan y otras reacciones químicas activas, y revelar nuevos detalles sobre el magnetismo y los materiales electrónicos correlacionados.

COSMIC tiene dos ramas que se centran en diferentes tipos de experimentos de rayos X:uno para experimentos de imágenes de rayos X y otro para experimentos de dispersión. En ambos casos, Los rayos X interactúan con una muestra y se miden de una manera que proporciona, estructural, químico, electrónico, o información magnética sobre muestras.

La línea de luz también está pensada como un importante puente tecnológico hacia la actualización planificada de ALS, apodado ALS-U, eso maximizaría sus capacidades.

Ahora, después de una puesta en marcha durante el primer año durante la cual el personal probó y afinó sus componentes, Se espera que los resultados científicos de sus primeros experimentos se publiquen en revistas a finales de este año.

Un estudio publicado a principios de este mes en la revista Comunicaciones de la naturaleza , basado principalmente en el trabajo en una línea de luz ALS relacionada, demostró con éxito una técnica conocida como tomografía computarizada pticográfica que mapeó la ubicación de las reacciones dentro de las baterías de iones de litio en 3-D. Ese experimento probó la instrumentación que ahora está instalada permanentemente en la instalación de imágenes COSMIC.

"Este resultado científico surgió del esfuerzo de I + D que condujo a COSMIC, "dijo David Shapiro, un científico de planta en el Grupo de Sistemas Experimentales (ESG) en el ALS de Berkeley Lab y el científico principal de los experimentos de microscopía de COSMIC.

Ese resultado fue posible gracias a las inversiones de ALS en I + D, y colaboraciones con la Universidad de Illinois en Chicago y con el Centro de Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación Energética de Berkeley Lab (CAMERA), El lo notó.

"Nuestro objetivo es proporcionar una clase de herramientas completamente nueva para las ciencias de los materiales, así como para las ciencias ambientales y de la vida, ", Dijo Shapiro. La pticografía logra una resolución espacial más fina que el tamaño del punto de rayos X mediante la recuperación de fase a partir de datos de difracción coherentes, y "La ALS ha hecho esto con una resolución espacial récord mundial en dos y ahora tres dimensiones, "añadió.

La técnica de tomografía ptychographic que los investigadores utilizaron en este último estudio les permitió ver los estados químicos dentro de nanopartículas individuales. Young-Sang Yu, autor principal del estudio y científico de ESG, dijo, "Observamos una pieza del cátodo de una batería en 3-D con una resolución sin precedentes para los rayos X. Esto proporciona una nueva perspectiva del rendimiento de la batería tanto a nivel de una sola partícula como en porciones estadísticamente significativas de un cátodo de batería".

COSMIC se centra en una gama de rayos X "suaves" o de baja energía que son especialmente adecuados para el análisis de la composición química de los materiales.

La tomografía pticográfica puede ser particularmente útil para observar componentes celulares, así como baterías u otros materiales químicamente diversos con extremo detalle. Shapiro dijo que el haz de rayos X en COSMIC se enfoca en un punto de aproximadamente 50 nanómetros (mil millonésimas de metro) de diámetro; sin embargo, La pticografía puede mejorar la resolución espacial de forma rutinaria en un factor de 10 o más. El trabajo actual se realizó con un haz de 120 nanómetros que logró una resolución 3-D de aproximadamente 11 nanómetros.

El haz de rayos X de COSMIC también es más brillante que la línea de luz ALS que se utilizó para probar su instrumentación, y se volverá aún más brillante una vez que se complete ALS-U. Este brillo puede traducirse en una resolución a nanoescala aún mayor, y también puede permitir mucha más precisión en experimentos dependientes del tiempo.

Hacer un uso eficiente de este brillo requiere detectores rápidos, que son desarrollados por el grupo de detectores ALS. El detector de corriente puede funcionar a una velocidad de datos de hasta 400 megabytes por segundo y ahora puede generar unos pocos terabytes de datos por día, lo suficiente para almacenar alrededor de 500 a 1, 000 largometrajes. Detectores de próxima generación, para ser probado en breve, producirá datos 100 veces más rápido.

"Esperamos ser la línea de luz con mayor uso intensivo de datos en el ALS, y un componente importante de COSMIC es el desarrollo de matemáticas avanzadas y computación capaz de reconstruir rápidamente la información a partir de los datos a medida que se recopilan, "Dijo Shapiro.

Para desarrollar estas herramientas COSMIC junto con CAMERA, que fue creado para llevar las matemáticas y la computación de vanguardia a las instalaciones científicas del DOE.

El director de CAMERA, James Sethian, dijo:"La construcción de algoritmos avanzados en tiempo real y el código de reconstrucción pticográfica de alto rendimiento para COSMIC ha sido un esfuerzo de varios años de gran éxito entre matemáticos, científicos de la computación, ingenieros de software, expertos en software, y científicos de líneas de luz ".

El código que el equipo desarrolló para mejorar las imágenes pticográficas en COSMIC, apodado SHARP, ahora está disponible para todas las fuentes de luz en todo el complejo DOE. Para COSMIC, el código SHARP se ejecuta en un clúster de unidad de procesamiento de gráficos (GPU) dedicado administrado por High Performance Computing Services de Berkeley Lab.

Además de la pticografía, COSMIC también está equipado para experimentos que utilizan espectroscopía de correlación de fotones de rayos X, o XPCS, una técnica que es útil para estudiar las fluctuaciones en materiales asociados con exóticas propiedades magnéticas y electrónicas.

COSMIC permite a los científicos ver tales fluctuaciones que ocurren en milisegundos, o milésimas de segundo, en comparación con incrementos de tiempo de varios segundos o más en líneas de luz predecesoras. Se está construyendo una nueva estación terminal COSMIC con campo magnético aplicado y capacidades criogénicas, con las primeras pruebas programadas para comenzar este verano.

Los científicos ya han utilizado las capacidades de imágenes de COSMIC para explorar una gama de nanomateriales, materiales del ánodo y del cátodo de la batería, cementos, lentes, y películas delgadas magnéticas, Dijo Shapiro.

"Todavía estamos en el modo de aprender y afinar, pero la actuación es fantástica hasta ahora, ", dijo. Le dio crédito a la tripulación de ALS, dirigido por el científico de ESG Tony Warwick, por trabajar rápidamente para poner COSMIC al día. "Es bastante extraordinario llegar a un rendimiento tan alto en tan poco tiempo".