Una linea di raggi X di nuova generazione che ora opera presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia riunisce un insieme unico di capacità per misurare le proprietà dei materiali su scala nanometrica.

Chiamato COSMICO, per la diffusione coerente e la microscopia, questa linea di raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab del Berkeley Lab consente agli scienziati di sondare batterie funzionanti e altre reazioni chimiche attive, e per rivelare nuovi dettagli sul magnetismo e sui materiali elettronici correlati.

COSMIC ha due rami che si concentrano su diversi tipi di esperimenti a raggi X:uno per esperimenti di imaging a raggi X e uno per esperimenti di diffusione. In entrambi i casi, I raggi X interagiscono con un campione e vengono misurati in modo da fornire, strutturale, chimico, elettronico, o informazioni magnetiche sui campioni.

La linea di luce è intesa anche come un importante ponte tecnologico verso il previsto upgrade dell'ALS, soprannominato ALS-U , che massimizzerebbe le sue capacità.

Ora, dopo un primo anno di avviamento durante il quale il personale ha testato e messo a punto i suoi componenti, i risultati scientifici dei suoi primi esperimenti dovrebbero essere pubblicati su riviste entro la fine dell'anno.

Uno studio pubblicato all'inizio di questo mese sulla rivista Comunicazioni sulla natura , basato principalmente sul lavoro presso una linea di luce correlata alla SLA, ha dimostrato con successo una tecnica nota come tomografia computerizzata tticografica che ha mappato la posizione delle reazioni all'interno delle batterie agli ioni di litio in 3-D. Quell'esperimento ha testato la strumentazione che ora è installata in modo permanente presso la struttura di imaging COSMIC.

"Questo risultato scientifico è il risultato dello sforzo di ricerca e sviluppo che ha portato a COSMIC, " ha detto David Shapiro, uno scienziato dello staff dell'Experimental Systems Group (ESG) presso l'ALS del Berkeley Lab e lo scienziato capo degli esperimenti di microscopia di COSMIC.

Tale risultato è stato reso possibile dagli investimenti di ALS in ricerca e sviluppo, e collaborazioni con l'Università dell'Illinois a Chicago e con il Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA) del Berkeley Lab, ha notato.

"Miriamo a fornire una classe completamente nuova di strumenti per le scienze dei materiali, così come per le scienze ambientali e della vita, " Ha detto Shapiro. La ptychography raggiunge una risoluzione spaziale più fine della dimensione dello spot dei raggi X mediante il recupero di fase da dati di diffrazione coerenti, e "La SLA lo ha fatto con una risoluzione spaziale da record mondiale in due e ora in tre dimensioni, " Ha aggiunto.

La tecnica di tomografia tticografica che i ricercatori hanno utilizzato in questo ultimo studio ha permesso loro di visualizzare gli stati chimici all'interno delle singole nanoparticelle. Young-Sang Yu, autore principale dello studio e scienziato ESG, disse, "Abbiamo esaminato un pezzo di catodo di batteria in 3-D con una risoluzione senza precedenti per i raggi X. Ciò fornisce nuove informazioni sulle prestazioni della batteria sia a livello di singola particella che su porzioni statisticamente significative di un catodo di batteria".

COSMIC si concentra su una gamma di raggi X "morbidi" o a bassa energia che sono particolarmente adatti per l'analisi della composizione chimica all'interno dei materiali

La tomografia tticografica può essere particolarmente utile per esaminare i componenti cellulari così come le batterie o altri materiali chimicamente diversi nei minimi dettagli. Shapiro ha detto che il raggio di raggi X al COSMIC è focalizzato su un punto di circa 50 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro; però, la tticografia può migliorare la risoluzione spaziale di routine di un fattore 10 o più. Il lavoro attuale è stato eseguito con un raggio di 120 nanometri che ha raggiunto una risoluzione 3D di circa 11 nanometri.

Il fascio di raggi X di COSMIC è anche più luminoso della linea di luce ALS che è stata utilizzata per testare la sua strumentazione, e diventerà ancora più luminoso una volta che ALS-U sarà completo. Questa luminosità può tradursi in una risoluzione su scala nanometrica ancora più elevata, e può anche consentire molta più precisione negli esperimenti dipendenti dal tempo.

Fare un uso efficiente di questa luminosità richiede rilevatori veloci, che sono sviluppati dal gruppo di rivelatori ALS. L'attuale rilevatore può funzionare a una velocità di trasmissione dati fino a 400 megabyte al secondo e ora può generare alcuni terabyte di dati al giorno, sufficienti per memorizzare circa 500 a 1, 000 lungometraggi. Rivelatori di nuova generazione, da provare a breve, produrrà dati 100 volte più velocemente.

"Ci aspettiamo di essere la linea di luce più intensiva di dati presso la SLA, e una componente importante di COSMIC è lo sviluppo di matematica avanzata e computazione in grado di ricostruire rapidamente le informazioni dai dati così come vengono raccolti, " disse Shapiro.

Per sviluppare questi strumenti COSMIC abbinato a CAMERA, che è stato creato per portare la matematica e l'informatica all'avanguardia nelle strutture scientifiche del DOE.

Il direttore della CAMERA James Sethian ha dichiarato:"Costruire algoritmi avanzati in tempo reale e il codice di ricostruzione tticografica ad alte prestazioni per COSMIC è stato uno sforzo pluriennale di grande successo tra matematici, scienziati informatici, ingegneri del software, esperti di software, e scienziati della linea di luce."

Il codice sviluppato dal team per migliorare l'imaging tticografico al COSMIC, soprannominato SHARP, è ora disponibile per tutte le sorgenti luminose del complesso DOE. Per COSMIC, il codice SHARP viene eseguito su un cluster di unità di elaborazione grafica (GPU) dedicato gestito da High Performance Computing Services di Berkeley Lab.

Oltre alla tticografia, COSMIC è anche attrezzato per esperimenti che utilizzano la spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X, o XPCS, una tecnica utile per studiare le fluttuazioni nei materiali associati a proprietà magnetiche ed elettroniche esotiche.

COSMIC consente agli scienziati di vedere tali fluttuazioni che si verificano in millisecondi, o millesimi di secondo, rispetto a incrementi di tempo di più secondi o più a linee di luce precedenti. È in fase di costruzione una nuova stazione terminale COSMIC con campo magnetico applicato e capacità criogeniche, con i primi test che inizieranno questa estate.

Gli scienziati hanno già utilizzato le capacità di imaging di COSMIC per esplorare una gamma di nanomateriali, materiali dell'anodo e del catodo della batteria, cementi, bicchieri, e film magnetici sottili, disse Shapiro.

"Siamo ancora nella modalità di apprendimento e messa a punto, ma la performance è fantastica finora, " ha detto. Ha accreditato l'equipaggio della SLA, guidato dallo scienziato ESG Tony Warwick, per lavorare rapidamente per portare COSMIC al passo con i tempi. "È davvero straordinario ottenere prestazioni così elevate in così poco tempo."