Desde la química hasta la ciencia de los materiales y la investigación de COVID-19, el APS es una de las fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. Una actualización lo convertirá en un líder mundial entre la próxima generación de fuentes de luz, abriendo nuevas fronteras en la ciencia.

En los casi 25 años transcurridos desde la fuente avanzada de fotones (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. abrió por primera vez en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, ha jugado un papel esencial en algunos de los descubrimientos y avances más fundamentales de la ciencia.

Más de 5, 000 investigadores de todo el mundo realizan experimentos en la APS cada año, y su trabajo tiene, entre muchos otros éxitos notables, allanó el camino para mejores baterías renovables; dio lugar al desarrollo de numerosos fármacos nuevos; y ayudó a que los vehículos fueran más eficientes, los materiales de infraestructura más fuertes y la electrónica más poderosa.

La investigación realizada en la APS también ha dado lugar directamente a dos premios Nobel, y contribuyó a un tercero. Más reciente, la APS está realizando importantes aportes en la lucha contra el COVID-19. Sus líneas de luz están involucradas en la investigación tanto para identificar las estructuras proteicas del virus como para encontrar posibles tratamientos farmacéuticos y / o vacunas. Este trabajo deja en claro la importancia constante de las fuentes de luz de rayos X, como el APS, en la solución de problemas críticos para nuestro mundo.

Sin embargo, aunque el APS sigue siendo una de las instalaciones de investigación más importantes de su tipo, El anillo de almacenamiento de electrones que se encuentra en su corazón se diseñó a partir de finales de la década de 1980 y, tan innovador como lo fue en ese momento, ahora se basa en tecnología anticuada.

"Después de 25 años, el desafío es cómo podemos seguir haciendo del APS un lugar interesante y útil para los investigadores ", preguntó Jim Kerby. director de proyectos para la actualización de APS (APS-U), que vino a Argonne para ayudar a responder esa pregunta. "¿Cómo creamos una instalación que continúe brindando oportunidades de trabajo que no se pueden realizar en ningún otro lugar?"

A medida que el APS se prepara para someterse a una actualización de $ 815 millones que, ya a finales de 2023, permitir la ciencia a una escala completamente nueva y sin precedentes, el equipo de APS en Argonne y los miles de investigadores a los que apoya miran con entusiasmo hacia el futuro, incluso si nadie puede conocer completamente la gama completa de oportunidades científicas que les esperan.

"La actualización de APS nos permitirá realizar nuevos experimentos que apenas podemos imaginar en este momento. Será transformacional, "dijo Jonathan Lang, el director de la División de Ciencias de Rayos X (XSD) de APS.

"De Usain Bolt a un F-15"

El APS funciona como un microscopio de rayos X gigante. Produce rayos X extremadamente brillantes que pueden mirar a través de materiales densos e iluminar la estructura y la química de la materia a nivel molecular y atómico. Como parte de la actualización, Se reemplazará el anillo de almacenamiento circular de 1,1 kilómetros existente y se actualizarán las líneas de rayos X y otros equipos. creando una instalación de rayos X mucho más poderosa y una producción de rayos X más brillante.

El brillo de los rayos X será hasta 500 veces mayor que el de la máquina actual, dijo Kerby, y mejorará significativamente el rendimiento.

"Eso es difícil de imaginar para cualquiera, "Dijo Kerby." Es como ir de Usain Bolt, un velocista de pista y campo con récord mundial conocido por ser uno de los hombres más rápidos de la Tierra, a un avión de combate F-15. Ambos son rápidos pero son dos tipos de velocidad muy diferentes. Los experimentos que antes eran imposibles de realizar en una cantidad de tiempo realista, ahora se realizarán en minutos u horas ".

Otra mejora importante implica la coherencia del haz, que se relaciona con el orden de la luz de rayos X. Lang dijo que pasará de algo parecido a un foco que produce un amplio flujo de luz a algo mucho más parecido a un láser.

Según Stephen Streiffer, subdirector de laboratorio de ciencia y tecnología, director de laboratorio asociado interino de Photon Sciences, y director de la APS, la coherencia es especialmente importante:"Los rayos X de alta energía que son ultrabrillantes con una coherencia muy alta nos permitirán experimentar en entornos reales, no solo entornos modelo ".

Streiffer dijo que era esencial que la nueva fuente de rayos X permita mediciones en múltiples escalas físicas y de tiempo. "Piense en explorar la electroquímica en una batería. Va desde un nanosegundo con átomos que se difunden en un ambiente local hasta cambios macroscópicos en la batería durante días, semanas o incluso años. Con el aumento de brillo podremos ver la imagen completa ".

Lang señaló otro ángulo. "En la actualidad, solo puedes ver una pequeña parte de un material, y lleva mucho tiempo. Con la actualización obtendremos tanto alta resolución como un amplio campo de visión. Por ejemplo, para comprender las propiedades mecánicas en materiales policristalinos, desea ver cómo se distribuyen los elementos alrededor de los límites de grano entre cristales, pero también desea ver cómo se comparan una gran cantidad de límites de grano. Esto permitirá a los investigadores observar muchas más células, de formas que, en última instancia, podrían mejorar drásticamente los materiales estructurales utilizados en las industrias automotriz y aeroespacial ".

Con el brillo más alto, Lang dijo:también vendrá una inmensa carga de datos. "Pero tenemos computación de alto rendimiento en el campus, por lo que es una gran sinergia. Pueden procesar los números para manejar los datos. Es una fuente y un recurso únicos muy cercanos". Y con la nueva supercomputadora Aurora que debutará en 2021, Habrá aún más oportunidades para aprovechar los recursos incomparables de Argonne.

Bob Hettel, el director del proyecto APS-U, participó en el diseño del APS actual mientras estaba en SLAC National Accelerator Laboratory. Dijo que es un momento muy emocionante para la tecnología de rayos X, particularmente con los avances en el diseño de anillos de almacenamiento, y APS ha "ideado un enfoque agresivo que mejora y mejora lo que otros han estado haciendo en las últimas dos décadas".

Para Hettel, el mayor desafío es que no hay un solo obstáculo técnico, sino que es la integración de tantos componentes diferentes. "Hay un millón de piezas móviles. Pero estamos interactuando con la comunidad de usuarios, y contamos con los mejores técnicos del mundo en múltiples áreas que se han unido para hacer que todo funcione ".

Kerby dijo que lo más temprano que se apagará el APS es junio de 2022, pero no hasta que todas las piezas de la nueva máquina hayan sido revisadas y estén listas para ensamblarse en el lugar de la máquina anterior, y el APS actualizado volverá a estar en línea alrededor de un año. más tarde. En ese punto, él dijo, los usuarios tendrán que volver a calibrar completamente cómo piensan acerca de qué experimentos científicos son posibles.

Cambia todo el juego

Conal Murray es un miembro del personal de investigación del IBM Watson Research Center en Nueva York que tuvo su primer rayo en el APS hace más de 20 años. y que ha regresado casi todos los años desde entonces.

Su investigación actual involucra la ingeniería de deformaciones en transistores de generaciones futuras. Los avances en este campo son importantes para el escalado de dispositivos en aplicaciones que van desde teléfonos inteligentes hasta informática de alto rendimiento, donde se puede lograr una mayor densidad de transistores al tiempo que se aumenta la funcionalidad general.

"La coherencia y el brillo mejorados nos permitirán realizar mediciones de dispositivos reales, no solo estructuras representativas. Solo pudimos hacer esto con la actualización de APS, ", Dijo Murray." Pero estoy igualmente emocionado por los resultados inesperados que vendrán de esta actualización. No conoceremos todos los beneficios hasta que esté construido y en funcionamiento ".

Para Gayle Woloschak, un científico investigador de la Universidad Northwestern, el APS-U le permitirá "saltar al siguiente nivel de lo que podemos hacer. Podremos hacer un escaneo rápido de células, un número significativo en poco tiempo ". Esto aumentará enormemente la cantidad de pacientes que se pueden rastrear y proporcionará una mejor comprensión de lo que ocurre durante el tratamiento.

Para investigadores como Stephan Hruszkewycz, en la división de Ciencia de Materiales de Argonne, los rayos X en el APS son una de las únicas formas de ver cómo se comportan los materiales en condiciones extremas, que es esencial para hacer frente a una serie de desafíos energéticos. "La actualización es una gran oportunidad para la ciencia de los materiales. Con las características mejoradas y la adopción de nuevos métodos, podremos ver los materiales en un estado que nos dé una idea mucho más rica de cómo se están transformando en entornos extremos ".

Si Chen, un físico de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne que trabaja principalmente con aplicaciones biológicas, dijo que el APS-U también implicará importantes mejoras en los equipos. "Una de las cosas más importantes no es solo la actualización en sí, pero todos los nuevos instrumentos utilizarán el brillo que proporcionará la actualización ".

Chen dijo que la estación terminal de rayos X con la que trabaja actualmente puede estudiar algunas células por día; utilizando una nueva máquina de segunda generación después de la actualización, esto aumentará a miles de células por día. "Podremos recopilar datos mucho más rápido, y esa población más grande aumentará la confianza de las conclusiones de la investigación ".

Agregó que la nueva máquina permitirá a los investigadores lograr un enfoque de 10 nanómetros, que es de seis a ocho mil veces más pequeño que un solo cabello humano.

El Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) ejecuta dos líneas de luz en el APS, financiado por los Institutos Nacionales de Salud y brindando servicios a 600-700 usuarios únicos. Malcolm Capel, Subdirector de NE-CAT, convino en que será necesario que se produzcan varias transiciones a la vez. "Nuestros sistemas de control tienen 20 años, también. Tendremos nuevo software y más documentación de nuestros sistemas para los usuarios ".

Laurence Lurio es presidente del departamento de física de la Universidad del Norte de Illinois, cuyo trabajo consiste en examinar materiales biológicos como proteínas y lípidos. Dijo que la coherencia mejorada del haz permitirá a su equipo de investigación centrarse más en la ciencia que en la técnica.

"Lo más emocionante de la actualización es que pasaremos de hacer muy desafiante, mediciones basadas en técnicas a algo que es mucho más fácil y conveniente de hacer. La técnica tiene que ser lo suficientemente fácil como para que puedas mirar la ciencia. Si se está esforzando demasiado en realizar una medición, no podrá ver las aplicaciones importantes ".

Lurio agregó que si no fuera por la APS y el apoyo del DOE, un trabajo tan innovador no sería posible. "Viniendo de una universidad de tamaño medio, no tenemos un gran presupuesto para la infraestructura de investigación. Y eso probablemente sea cierto para universidades de investigación aún más grandes. Pero todos podemos venir a APS y de repente tener la mejor herramienta del mundo para hacer un experimento. La disponibilidad de esta instalación cambia todo el juego ".

En tierra firme por otros 25 años

El potencial de futuros descubrimientos fundamentales como resultado de la actualización es prácticamente ilimitado. Los ejemplos pueden incluir sistemas revolucionarios para convertir la luz solar en energía y almacenar esa energía; mecanismos detallados por los cuales los contaminantes se mueven a través del suelo; limpiador, biocombustibles más eficientes; una comprensión transformadora de la estructura en el núcleo interno de la Tierra; nuevos medicamentos para tratar infecciones resistentes a los antibióticos; y una mejor comprensión de cómo el cerebro procesa y almacena información con las neuronas.

Kerby dijo que no tenía ninguna duda de que la actualización produciría muchos ejemplos espectaculares de ciencia innovadora. Pero agregado, "Lo realmente importante no son los ejemplos específicos; es la oportunidad de ir en direcciones en las que la gente no había pensado anteriormente, o lo había cancelado ".

Y eso, dijo Lang, es, en última instancia, el objetivo de la actualización.

"Queremos asegurarnos de que el APS sea relevante durante otros 25 años, ", Dijo Lang." En 10 a 15 años, la gente empezará a tener nuevas ideas. La actualización APS pondrá a Argonne en tierra firme en el mundo durante otros 25 años. No se puede predecir el futuro mucho más lejos ".