Durante más de 25 años, Los intensos rayos X de Advanced Photon Source han permitido importantes avances. Con una actualización masiva en proceso, los científicos podrán ver cosas a una escala nunca antes vista.

Todo avance científico comienza con una observación. Hace unos 125 años, nuestro poder de observación se expandió enormemente con el descubrimiento de la luz invisible conocida como rayos X. Muchos de nosotros los conocemos como una técnica de escaneo médico, pero los rayos X más poderosos nos dan la capacidad de mirar dentro incluso de los materiales más densos y ver los átomos en su interior.

En el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los rayos X excepcionalmente poderosos ayudan a los principales científicos del mundo a resolver problemas complejos relacionados con las tecnologías de energía limpia, investigación climática, medicina y muchas otras áreas.

Fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, produjo su primera luz de rayos X en 1995. Desde entonces, el APS ha permitido descubrimientos en casi todas las disciplinas de investigación científica, incluidos los estudios que ganaron los premios Nobel de química de 2009 y 2012.

Una poderosa herramienta que abarca el espectro científico

El APS es una fuente líder mundial de rayos X de alta energía conocidos como rayos X duros. Estos rayos intensamente brillantes son la clave para obtener imágenes de las propiedades de la materia para que podamos comprenderlas. mejorarlos y reinventarlos. En un día cualquiera en el APS, un haz de rayos X podría enfocarse en las proteínas que componen un patógeno como el coronavirus, cristales de sal de roca de litio para baterías de carga rápida, los microbios presentes en el suelo o incluso una partícula de combustible nuclear irradiado.

Ya es una de las máquinas tecnológicamente más complejas del mundo, el APS se encuentra en medio de una actualización revolucionaria. Una vez que se complete la actualización, la instalación podrá generar rayos X hasta 500 veces más brillantes de lo que es posible en la actualidad. Eso permitirá a los científicos observar una serie de fenómenos con mucho más detalle y, a menudo, dentro de marcos de tiempo medidos en mil millonésimas de segundos.

"Si desea comprender los materiales a nivel atómico, vea cómo están ordenados los átomos, cómo se mueven y cómo cambian:las radiografías que producimos aquí son herramientas clave para que eso suceda, "dijo Jonathan Lang, director de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne.

El APS genera rayos X a través de un acelerador de partículas en forma de anillo. Las partículas subatómicas llamadas electrones se deslizan alrededor del anillo, dirigido por imanes. A medida que los electrones se mueven a través de matrices magnéticas especiales llamadas onduladores, emiten fotones, que son partículas de luz. Luego, los fotones se canalizan a una de las muchas líneas de luz APS disponibles para los investigadores, cada uno utilizado para un propósito científico específico.

El trabajo que se realiza en la APS, que acoge anualmente aproximadamente 5, 500 académicos, investigadores de laboratorio e industria de todo el mundo, sirve para una variedad de objetivos científicos. Ayuda a los investigadores a comprender los procesos que sustentan las baterías y la energía nuclear, por ejemplo. Los conocimientos del APS también informan el diseño de motores a reacción más eficientes y técnicas para producir hidrógeno a partir del agua. allanando el camino para un combustible de hidrógeno limpio para automóviles y electricidad. Todo esto está ayudando a la nación a avanzar hacia un futuro sin emisiones de carbono para mitigar el cambio climático.

Recientemente, el APS ha sido fundamental en la investigación sobre el SARS-CoV-2, el virus que causa COVID-19, iluminando la estructura de sus proteínas. Las proteínas del virus se han utilizado como base de vacunas que estimulan una respuesta inmunitaria en el cuerpo. Este es el último de una serie de avances biomédicos con la ayuda de la APS, incluido un fármaco prometedor para tratar el ébola y nuevas vías para combatir el cáncer con quimioterapia.

"El APS es excelente para contribuir con amplios conjuntos de conocimientos a muchas disciplinas diferentes, ", dijo Lang. Un ejemplo que señaló es el desarrollo de dispositivos electrónicos más pequeños que necesitan menos energía para funcionar, un esfuerzo que se basa en estudios de materiales realizados en la APS. "Todo el conocimiento que estamos adquiriendo aquí sobre cómo unir las cosas y cómo organizar los átomos contribuye a las bases de todo, desde baterías avanzadas hasta tratamientos para el cáncer".

Un nuevo 'estado del arte'

El APS, que se financia a través del programa de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del DOE, era lo último en tecnología cuando se puso en línea en la década de 1990. Una instalación de este tipo debe construirse no solo por el momento, pero para las próximas décadas.

"El diseño original del APS se realizó con la suficiente previsión de que es solo ahora, casi 30 años en el futuro, que estamos aprovechando al máximo todas las capacidades de la instalación actual, "dijo Stephen Streiffer, Subdirector de laboratorio de ciencia y tecnología de Argonne y director de la APS.

La actualización planificada implicará reemplazar completamente el anillo de almacenamiento de electrones con un nuevo, modelo más potente. Esto resultará en una resolución más fina para científicos como Mary Upton, un físico en Argonne que trabaja con científicos visitantes en experimentos en la línea de luz 27-ID. Los investigadores de esta línea de luz a menudo se centran en materiales magnéticos que son los componentes básicos de la memoria de la computadora.

"Estamos entrando en un momento emocionante en el APS, "Dijo Upton." Lo que ya era un instrumento increíblemente preciso en la línea de luz 27-ID se volverá aún más poderoso con la actualización. Los conocimientos resultantes ampliarán las capacidades de todos nuestros dispositivos electrónicos ".

Pero este es solo el comienzo de la historia. Otras líneas de luz que ofrecen a los usuarios técnicas basadas en imágenes de rayos X verán mejoras que igualarán la mejora en el brillo de los rayos X, permitiéndoles escanear volúmenes hasta 500 veces más grandes de lo que es posible actualmente.

"Esta es la diferencia entre, por ejemplo, poder examinar la anatomía de una pequeña parte del cerebro de un ratón, versus poder examinar todo. Solo entonces podrás entender realmente lo que estás mirando "Explicó Streiffer.

La nueva fuente de rayos X permitirá mediciones más rápidas y amplias. Toma electroquímica en una batería, por ejemplo. Los electrones se mueven rápidamente de un extremo al otro cuando las baterías se cargan y descargan. Pero a lo largo de los días semanas o años, se producen otros cambios en la química de la batería a medida que se utiliza. El aumento de brillo permitirá ver esta imagen más grande.

"La actualización del APS permitirá la ciencia a escalas con las que ni siquiera podemos soñar en este momento, "dijo Dennis Mills, subdirector adjunto del laboratorio de ciencia de fotones en Argonne. "El aumento de brillo, así como la capacidad de enfocar esos rayos brillantes a tamaños increíblemente pequeños, abrirá nuevas vías de descubrimiento que conducirán a importantes innovaciones en varios campos ".

Los rayos más brillantes también acelerarán enormemente la investigación, haciendo posible realizar experimentos previamente inviables en minutos u horas. "Si tarda una hora en recopilar datos, en lugar de un mes entero, hace un mundo de diferencia, ", Dijo Lang." Eso es lo que la actualización nos permitirá hacer ".

Luz más brillante mas datos

La velocidad a la que las fuentes de luz han mejorado en las últimas décadas ha superado la velocidad a la que las computadoras se han vuelto más rápidas. señaló Streiffer. Es por eso que Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, es un activo clave.

"Las fuentes de luz representan un gran desafío para los datos, Streiffer dijo:"Tener nuestra experiencia y luego el poder computacional del ALCF es un factor clave de éxito para poder utilizar el APS actualizado y producir ciencia".

Ahora, el APS recopila aproximadamente 5 petabytes de datos brutos por año:1 petabyte equivale a un millón de gigabytes. Con la actualización, ese número aumentará a cientos de petabytes por año. La próxima supercomputadora Aurora, que llega en 2022, complementará el aumento de datos.

"Aurora y otros sistemas ALCF serán fundamentales para procesar y comprender los datos generados en la era de actualización de APS, "dijo Nicholas Schwarz, científico informático principal de Argonne.

El ALCF y el APS estarán conectados a través de una red de alta velocidad para permitir el intercambio de conjuntos de datos masivos. Esta combinación de instrumentos APS y supercomputadoras ALCF permitirá el análisis en tiempo real para ayudar a los científicos a tomar decisiones cruciales sobre experimentos. Dijo Schwarz.

Ya, Los científicos de Argonne han aplicado inteligencia artificial para predecir y reconstruir datos de rayos X más rápido que los métodos tradicionales. Este tipo de trabajo, junto con el aumento de potencia disponible con Aurora, ayudará al ALCF a mantenerse al día con la afluencia del APS actualizado.

"La inteligencia artificial abarcará todos los aspectos del funcionamiento de APS, desde controlar la estabilidad del anillo de almacenamiento mejorado hasta alinear automáticamente las muestras en el haz de rayos X, ", Dijo Schwarz.

Si las últimas tres décadas son una indicación, Los investigadores encontrarán formas de utilizar el APS actualizado para lograr avances que ni siquiera podemos imaginar hoy. En los primeros días de APS, Streiffer señaló, pocos pensaron que el APS sería útil para determinar la estructura de una proteína.

La sabiduría convencional sostenía que si pones un cristal de proteína en el haz, se vaporizaría antes de que pudiera obtener datos útiles. En lugar de, el APS se ha convertido en un hogar importante para este tipo de biología estructural, gracias a minuciosos métodos experimentales que permiten a los biólogos medir una muestra sin destruirla.

"El APS habla de uno de los aspectos de la ciencia que lo hace tan desafiante, pero también tan gratificante, ", Dijo Streiffer." Nunca estás completamente seguro de lo que vas a descubrir ".