La sorgente di luce di sincrotrone nazionale II (NSLS-II), un DOE Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è una vera risorsa internazionale. I geoscienziati dall'Australia e dalla Francia hanno recentemente attraversato il mondo per mirare al minuscolo, intensi fasci di raggi X su sottili campioni di minerale ricco di nichel raccolti da una miniera nella lontana Siberia. Hanno scansionato queste fette di materiale geologico per vedere quali altri elementi chimici erano associati al nichel. Il gruppo ha anche esaminato fette di minerali coltivate in laboratorio, e confrontato i risultati delle due suite di campioni per scoprire come si formano i depositi di metallo massiccio.

Il loro esperimento è stato il primo a utilizzare un rilevatore di raggi X appena installato, chiamato Maia, montato sulla linea di luce della spettroscopia a raggi X con risoluzione submicronica (SRX) di NSLS-II. Scienziati di tutto il mondo vengono a SRX per creare immagini ad alta definizione di giacimenti minerari, aerosol, alghe, praticamente tutto ciò che devono esaminare con una risoluzione di un milionesimo di metro. Maia, sviluppato da una collaborazione tra NSLS-II, Divisione strumentazione di Brookhaven e Organizzazione per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth australiano (CSIRO), è in grado di scansionare aree campione su scala centimetrica con una risoluzione su scala micron in poche ore, un processo che in passato richiedeva settimane.

"Il rivelatore Maia è un punto di svolta, " ha detto Juergen Thieme, scienziato capo della linea di luce SRX. "I millisecondi per pixel dell'immagine invece dei secondi sono un'enorme differenza."

Gli utenti della linea di luce SRX ora hanno il tempo di raccogliere dati dettagliati su aree più grandi, piuttosto che scegliere alcune zone su cui concentrarsi. Ciò aumenta notevolmente la possibilità di catturare rari indizi "ago in un pagliaio" sui processi di formazione del minerale, Per esempio.

"Questo è importante quando stai cercando di pubblicare un documento, " ha detto Thieme. "Gli editori vogliono assicurarsi che la tua affermazione sia basata su molti esempi e non su un evento casuale".

"Abbiamo già raccolto dati sufficienti per uno, se non due carte, " disse Margaux Le Vaillant, uno degli utenti in visita del CSIRO e ricercatore principale per questo esperimento.

La collaboratrice Giada Iacono Marziano del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica ha aggiunto, "Poiché ora possiamo guardare in dettaglio un'immagine più grande, potremmo vedere cose, come certe associazioni elementali, che non avevamo previsto." Questo tipo di sorprese pone domande inaspettate agli scienziati, spingendo la loro ricerca in nuove direzioni.

Siddons e i suoi collaboratori al Brookhaven Lab e al CSIRO hanno fornito rivelatori Maia a sorgenti di luce di sincrotrone in tutto il mondo:CHESS alla Cornell University di New York, PETRA-III al laboratorio DESY di Amburgo, Germania, e il sincrotrone australiano a Melbourne. Il rivelatore di SRX offre il vantaggio di utilizzare i fasci di NSLS-II, la fonte di luce più brillante del suo genere al mondo.

Impronte chimiche ad alta velocità

Quando gli scienziati fanno brillare i raggi X sui campioni, eccitano gli atomi del materiale. Quando gli atomi si rilassano tornando al loro stato originale diventano fluorescenti, emettendo raggi X che il rilevatore rileva. Diversi elementi chimici emetteranno diverse lunghezze d'onda caratteristiche della luce, quindi questa mappatura della fluorescenza a raggi X è una specie di fingerprinting chimico, consentendo al rivelatore di creare immagini della composizione chimica del campione.

Il rivelatore Maia ha diverse caratteristiche che lo aiutano a mappare i campioni ad alta velocità e con dettagli precisi.

"Maia non si 'ferma e misura' come altri rilevatori, " ha detto il fisico Pete Siddons, che ha guidato la metà del progetto di Brookhaven. La maggior parte dei rilevatori funziona per gradi, analizzando ogni punto su un campione uno alla volta, Lui ha spiegato, ma il rilevatore Maia scansiona continuamente. Il team di Siddons ha programmato Maia con un processo chiamato analisi dinamica per separare i dati spettrali dei raggi X raccolti e risolvere dove sono presenti diversi elementi.

I sistemi di analisi di Maia consentono inoltre agli scienziati di guardare le immagini dei loro campioni apparire sullo schermo del computer in tempo reale durante le scansioni di Maia. Se i campioni sono molto simili, Maia riciclerà gli algoritmi di analisi dinamica utilizzati per creare immagini multi-elemento dai segnali di fluorescenza del primo campione per costruire le immagini del campione successivo in tempo reale, senza ritardo computazionale.

Parte della velocità di Maia è anche attribuibile ai 384 minuscoli elementi del rilevatore di fotoni che compongono il grande rilevatore. Questa grande griglia di sensori può raccogliere più raggi X riemessi rispetto ai rilevatori standard, che in genere utilizzano meno di 10 elementi. Il team di strumentazione di Siddons ha progettato speciali chip di lettura per gestire il gran numero di sensori e consentire un rilevamento efficiente.

La griglia 20x20 di rivelatori ha un buco nel mezzo, ma è intenzionale, Siddon ha spiegato. "Il buco ci permette di mettere il rivelatore molto più vicino al campione, " Disse Siddons. Invece di posizionare il campione davanti al raggio di raggi X e il rilevatore di lato, Gli scienziati della linea di luce SRX hanno allineato il raggio, campione, e rivelatore in modo che il raggio di raggi X brilli attraverso il foro per raggiungere il campione. Con questa disposizione, il rivelatore copre un ampio angolo e cattura una grande frazione di raggi X fluorescenti. Questa sensibilità consente ai ricercatori di scansionare più velocemente, che può essere utilizzato per risparmiare tempo o per ridurre l'intensità dei raggi X che colpiscono il campione, riducendo i danni che i raggi potrebbero causare.

Siddons ha notato che il team sta attualmente sviluppando nuovi chip di lettura per il rilevatore, e incorporando un nuovo tipo di sensore, chiamato array di rivelatori di deriva al silicio. Insieme, questi aumenteranno la capacità del rivelatore di distinguere tra fotoni di energia simile, spiegando i dettagli in spettri complessi e creando mappe chimiche ancora più accurate.