En la línea de luz de microscopía COSMIC, Los investigadores probaron el estado de oxidación del elemento químico cerio utilizando microscopía de rayos X de transmisión de barrido (STXM) en condiciones de funcionamiento. Fue una primera demostración de esta capacidad en COSMIC. Los resultados confirmaron cómo las partículas de cerio dictaban el tamaño y la ubicación de los sitios de reacción de las partículas de platino. En esta representación artística, Las nanopartículas híbridas de CeOX-TiO2 (esferas de plata) se muestran cubiertas uniformemente con pares de platino y cerio (amarillo y azul), mientras que las partículas de dióxido de titanio convencionales se muestran menos densamente cubiertas con racimos de platino más grandes (oro). Crédito:Universidad Nacional de Chungnam
CÓSMICO, un instrumento de rayos X multipropósito en la fuente de luz avanzada (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha avanzado en la comunidad científica desde su lanzamiento hace menos de 2 años, con contribuciones innovadoras en campos que van desde las baterías hasta los biominerales.
COSMIC es la línea de rayos X más brillante de la ALS, un sincrotrón que genera luz intensa, desde infrarrojos hasta rayos X, y la envía a docenas de líneas de luz para llevar a cabo una variedad de experimentos científicos simultáneos. El nombre de COSMIC se deriva de la dispersión coherente y la microscopía, que son dos técnicas de rayos X generales para las que está diseñado.
Sus capacidades incluyen una resolución de microscopía de rayos X suave líder en el mundo por debajo de 10 nanómetros (mil millonésimas de metro), sensibilidad química extrema, velocidad de escaneo ultrarrápida, así como la capacidad de medir cambios químicos a nanoescala en muestras en tiempo real, y facilitar la exploración de muestras con una combinación de microscopía de rayos X y electrónica. Los rayos X suaves representan un rango bajo en energías de rayos X, mientras que los rayos X duros tienen más energía. Cada tipo puede abordar una variedad diferente de experimentos.
COSMIC está preparando el escenario para un proyecto a largo plazo para actualizar la ALS de hace décadas. El esfuerzo, conocido como Actualización ALS (ALS-U), reemplazará la mayoría de los componentes del acelerador existentes con tecnología de punta, asegurando capacidades que permitirán la ciencia de rayos X suave líder en el mundo en los próximos años. La actualización también mejorará aún más la capacidad de COSMIC para capturar detalles a nanoescala en la estructura y química de una amplia gama de muestras.
El aumento esperado de 100 veces en el brillo de los rayos X que entregará ALS-U proporcionará un aumento similar en la velocidad de imagen en COSMIC, y una mejora de más del triple en la resolución de imágenes, permitiendo la microscopía con resolución de un solo nanómetro. Más lejos, las tecnologías que se están desarrollando ahora en COSMIC se implementarán en otras líneas de luz en el ALS actualizado, haciendo posible la microscopía con energías de rayos X más altas para muchos más experimentos. El instrumento es uno de los muchos recursos altamente especializados disponibles para científicos de todo el mundo de forma gratuita a través de un proceso de propuesta revisado por pares.
Un artículo de revista publicado el 16 de diciembre de 2020, en Avances de la ciencia , destaca algunas de las capacidades existentes de COSMIC y las que están en camino. El documento ofrece ejemplos de resolución de 8 nanómetros lograda en la obtención de imágenes de nanopartículas magnéticas, el mapeo químico de alta resolución de un material de cátodo de batería durante el calentamiento, y la imagen de alta resolución de una célula de levadura hidratada congelada en COSMIC. (Un cátodo es un tipo de electrodo de batería, componente a través del cual fluye la corriente.) Estos resultados sirven como casos de demostración, revelando información crítica sobre la estructura y el funcionamiento interno de estos materiales y abriendo la puerta a más conocimientos en muchos campos de la ciencia.
Otro artículo de revista, publicado el 19 de enero de 2021), en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , demostró el primer uso de la pticografía dicroica lineal de rayos X, una técnica especializada en imágenes de alta resolución disponible en COSMIC, para mapear las orientaciones de un cristal conocido como aragonito que está presente en los esqueletos de coral a una resolución de 35 nanómetros. La técnica se muestra prometedora para mapear otras muestras biominerales en alta resolución y en 3-D, que proporcionará nuevos conocimientos sobre sus atributos únicos y cómo imitarlos y controlarlos. Algunos biominerales han inspirado materiales y nanomateriales hechos por humanos debido a su fuerza, Resiliencia, y otras propiedades deseables.
"Usamos este sencillo plataforma única para la caracterización de materiales para demostrar una resolución espacial líder en el mundo, en conjunto con microscopía operando y criogénica, "dijo David Shapiro, autor principal del artículo y científico principal de los experimentos de microscopía de COSMIC. También dirige el Programa de Microscopía ALS. "Operando" describe la capacidad de medir cambios en las muestras a medida que ocurren.
"No hay otro instrumento que tenga estas capacidades coubicadas para microscopía de rayos X con esta resolución, ", Dijo Shapiro. COSMIC puede proporcionar nuevas pistas sobre el funcionamiento interno de los materiales a nanoescala, incluso cuando funcionan activamente, que conducirá a una comprensión más profunda y mejores diseños, para baterías, catalizadores, o materiales biológicos. Equipar COSMIC con tal diversidad de capacidades requirió una colaboración igualmente amplia entre disciplinas científicas, El lo notó.
Los colaboradores de COSMIC incluyeron miembros del equipo CAMERA (Centro de Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación de Energía) de Berkeley Lab, que incluye a científicos informáticos, ingenieros de software, matemáticos aplicados, y otros; expertos en tecnología de la información; especialistas en detectores; ingenieros; científicos del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Molecular Foundry; Científicos de ALS; y colaboradores externos del Centro de Ciencia y Tecnología STROBE de la Fundación Nacional de Ciencias y de la Universidad de Stanford.
Varias tecnologías avanzadas desarrolladas por diferentes grupos se integraron en este único instrumento. La clave de las demostraciones en COSMIC que se informan en el documento es la implementación de la pticografía de rayos X, que es una técnica de reconstrucción de imágenes asistida por computadora que puede superar la resolución de las técnicas convencionales hasta unas 10 veces.
Con métodos tradicionales, La resolución espacial, la capacidad de distinguir características diminutas en muestras, está limitada por la calidad de la óptica de rayos X y su capacidad para enfocar el haz de rayos X en un punto diminuto. Pero la óptica de rayos X convencional, cuáles son los instrumentos utilizados para manipular la luz de rayos X para ver las muestras con mayor claridad, son difíciles de hacer, ineficiente, y tienen distancias focales cortas.
En lugar de depender de una óptica imperfecta, La pticografía registra una gran cantidad de patrones de difracción que se superponen físicamente, que son imágenes producidas como dispersiones de luz de rayos X de la muestra, cada una de las cuales ofrece una pequeña parte de la imagen completa. En lugar de estar limitado por la calidad de la óptica, la técnica de la pticografía está limitada por el brillo de la fuente de rayos X, precisamente el parámetro que se espera que ALS-U mejore cien veces. Para capturar y procesar la enorme cantidad de datos y reconstruir la imagen final se requieren instalaciones de procesamiento de datos, algoritmos informáticos, y detectores de píxeles rápidos especializados como los desarrollados en Berkeley Lab.
Un dibujo conceptual del microscopio COSMIC, con rayos X mostrados en violeta. Todo el equipo está montado en un cilindro central. La placa de zona, un tipo de óptica de rayos X, se escanea en relación con este cilindro mientras la muestra se mantiene estacionaria. El instrumento permite un cambio rápido entre microscopía convencional y una técnica de imagen mejorada llamada pticografía. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
"La pticografía de rayos X es una técnica habilitada por detectores; primero se implementa con rayos X duros (de alta energía) utilizando detectores de píxeles híbridos, y luego en el ALS con FastCCD desarrollamos, "dijo Peter Denes, el líder del programa de detectores ALS que trabajó con el ingeniero líder John Joseph en la implementación en COSMIC. "Gran parte de la tecnología COSMIC se benefició del Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD), al igual que el FastCCD, que tradujo herramientas para cosmología en observaciones COSMIC. "El programa LDRD de Berkeley Lab apoya actividades de investigación innovadoras que mantienen al laboratorio a la vanguardia de la ciencia y la tecnología.
La pticografía utiliza una secuencia de patrones de dispersión, producido como dispersión de luz de rayos X a partir de una muestra. Estos patrones de dispersión son analizados por una computadora que ejecuta algoritmos de alto rendimiento, que los convierten en una imagen de alta resolución.
En el 16 de diciembre, 2020, papel, Los investigadores destacaron cómo las imágenes pticográficas hicieron posible ver la distribución química de alta resolución en partículas microscópicas de un material de cátodo de batería de fosfato de hierro y litio (Li 0,5 FePo 4 ). Las imágenes pticográficas mostraron características químicas a nanoescala en el interior de las partículas que no eran visibles usando la forma convencional de la técnica de imagen. llamado espectromicroscopía.
En una demostración separada de pticografía en COSMIC, Los investigadores observaron cambios químicos en una colección de nanopartículas de LixFePO4 cuando se sometieron a calentamiento.
La pticografía también es una fuente de la gran demanda de datos de COSMIC. La línea de luz puede producir varios terabytes de datos por día, o suficiente para llenar algunas computadoras portátiles. Los cálculos intensivos necesarios para las imágenes de COSMIC requieren un grupo dedicado de GPU (unidades de procesamiento gráfico), que son procesadores informáticos especializados.
La actualización de ALS impulsará aún más sus demandas de datos hasta los 100 terabytes por día esperados, Shapiro notó. Ya se están discutiendo planes para usar más recursos en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab para acomodar este aumento pendiente en los datos.
COSMIC es un ejemplo estelar del proyecto Superfacility de Berkeley Lab, que está diseñado para vincular fuentes de luz como ALS e instrumentación de vanguardia, incluidos microscopios y telescopios, con datos y recursos informáticos de alto rendimiento en tiempo real, dijo Bjoern Enders, arquitecto de flujos de trabajo de ciencia de datos en Data Science Engagement Group de NERSC.
"Nos encantan los desafíos informáticos y de datos de instrumentos como COSMIC que se aventuran más allá de las fronteras de las instalaciones, ", Dijo Enders." Estamos trabajando hacia un futuro en el que será tan fácil como hacer clic en un botón para utilizar los recursos de NERSC desde una línea de luz ". La incorporación de la nueva supercomputadora Perlmutter en NERSC, él agregó, "será un socio ideal para COSMIC en ciencia en equipo".
COSMIC se puso en marcha en modo de puesta en servicio en marzo de 2017, y abierto a experimentos científicos generales hace aproximadamente 2 años. Desde este momento, El personal del instrumento ha lanzado las capacidades operativas que miden los procesos químicos activos, por ejemplo, e implementó capacidades de tomografía y microscopía dicroica lineal y circular que amplían aún más la gama de experimentos de imágenes de COSMIC.
Su rama de dispersión coherente ahora se está probando y aún no está disponible para usuarios externos. También se está trabajando para correlacionar sus resultados de microscopía de rayos X con los resultados de microscopía electrónica para procesos activos. y seguir desarrollando sus capacidades criogénicas, lo que permitirá que las muestras biológicas y otros materiales blandos estén protegidos contra daños por el haz de rayos X ultrabrillante mientras se toman imágenes. La combinación de microscopía electrónica y de rayos X puede proporcionar una herramienta poderosa para recopilar información química y estructural detallada en las muestras. como se demostró en un experimento con COSMIC que se destacó en la revista Avances de la ciencia .
Shapiro señaló que hay planes para introducir una nueva estación experimental en la línea de luz, cronometrado con ALS-U, para dar cabida a más experimentos.
Un secreto del éxito de COSMIC es que el instrumento está diseñado para ser compatible con componentes estándar de manipulación de muestras. Shapiro dijo que este enfoque fácil de usar "ha sido muy importante para nosotros, "y hace que sea más fácil para los investigadores del mundo académico y de la industria diseñar experimentos compatibles con COSMIC". Los usuarios pueden simplemente aparecer y conectar (las muestras). Aumenta nuestro alcance, científicamente, " él dijo.
Aunque COSMIC está repleto de funciones, no es voluminoso, y Shapiro lo describió como "simplificado en tamaño y costo". Dijo que espera que sea un modelo para futuras líneas de luz, tanto en ALS-U como en otras instalaciones de sincrotrón.
"Creo que lo realmente atractivo es que es un instrumento muy compacto. Es de alto rendimiento y muy estable, ", dijo." Es muy manejable y no muy caro. En ese sentido, debería resultar muy atractivo para los sincrotrones ".
