Dalla chimica alla scienza dei materiali alla ricerca sul COVID-19, l'APS è una delle sorgenti luminose a raggi X più produttive al mondo. Un aggiornamento lo renderà un leader globale tra la prossima generazione di sorgenti luminose, aprendo nuove frontiere alla scienza.

Nei quasi 25 anni trascorsi dall'Advanced Photon Source (APS), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), aperto per la prima volta all'Argonne National Laboratory del DOE, ha svolto un ruolo essenziale in alcune delle scoperte e dei progressi più importanti della scienza.

più di 5, 000 ricercatori di tutto il mondo conducono esperimenti all'APS ogni anno, e il loro lavoro ha, tra tanti altri notevoli successi, ha aperto la strada a batterie rinnovabili migliori; ha portato allo sviluppo di numerosi nuovi farmaci; e ha contribuito a rendere i veicoli più efficienti, i materiali delle infrastrutture sono più resistenti e l'elettronica più potente.

La ricerca condotta presso l'APS ha anche portato direttamente a due premi Nobel, e ha contribuito a un terzo. Più recentemente, l'APS sta dando un contributo significativo nella lotta contro il COVID-19. Le sue linee di luce sono coinvolte nella ricerca sia per identificare le strutture proteiche del virus sia per trovare potenziali trattamenti farmaceutici e/o vaccini. Tale lavoro chiarisce l'importanza continua delle sorgenti luminose a raggi X, come l'APS, nella risoluzione di problemi critici per il nostro mondo.

Eppure, mentre l'APS è ancora una delle strutture di ricerca preminenti nel suo genere, l'anello di immagazzinamento di elettroni che ne è il cuore è stato progettato a partire dalla fine degli anni '80 e, innovativo come all'epoca, ora si basa su una tecnologia datata.

"Dopo 25 anni, la sfida è come continuare a rendere l'APS un luogo interessante e utile per i ricercatori?" ha chiesto Jim Kerby, capo progetto per l'aggiornamento APS (APS-U), che è venuto ad Argonne per aiutare a rispondere a questa domanda. "Come possiamo creare una struttura che continui a fornire opportunità di lavoro che non possono essere svolte da nessun'altra parte?"

Mentre l'APS si prepara a subire un aggiornamento da $ 815 milioni che lo farà, già alla fine del 2023, consentire la scienza su una scala completamente nuova e senza precedenti, il team APS di Argonne e le migliaia di ricercatori che supporta guardano avanti con entusiasmo, anche se nessuno può conoscere completamente l'intera gamma di opportunità scientifiche che attendono.

"L'aggiornamento APS ci consentirà di condurre nuovi esperimenti che al momento possiamo a malapena immaginare. Sarà trasformativo, " ha detto Jonathan Lang, il direttore dell'APS X-ray Science Division (XSD).

"Da Usain Bolt a un F-15"

L'APS funziona come un gigantesco microscopio a raggi X. Produce raggi X estremamente luminosi che possono scrutare attraverso materiali densi e illuminare la struttura e la chimica della materia a livello molecolare e atomico. Come parte dell'aggiornamento, l'attuale anello di stoccaggio circolare di 1,1 chilometri sarà sostituito e le linee di luce a raggi X e altre apparecchiature saranno aggiornate, creando una struttura a raggi X molto più potente e una produzione di raggi X più brillante.

La luminosità dei raggi X sarà fino a 500 volte maggiore rispetto alla macchina attuale, ha detto Kerby, e migliorerà notevolmente le prestazioni.

"È difficile da immaginare per chiunque, " ha detto Kerby. "È come andare da Usain Bolt, un velocista che detiene il record mondiale di atletica leggera noto per essere uno degli uomini più veloci della Terra, a un aereo da caccia F-15. Entrambi sono veloci, ma sono due tipi di velocità molto diversi. Gli esperimenti che in precedenza erano impossibili da eseguire in un lasso di tempo realistico verranno ora condotti in pochi minuti o ore".

Un altro importante miglioramento riguarda la coerenza del fascio, che si riferisce a quanto è ordinata la luce a raggi X. Lang ha detto che passerà da qualcosa come un riflettore che produce un ampio flusso di luce a qualcosa di molto più simile a un laser.

Secondo Stephen Streiffer, vice direttore del laboratorio per la scienza e la tecnologia, direttore di laboratorio associato ad interim per Photon Sciences, e direttore dell'APS, la coerenza è particolarmente importante:"I raggi X ad alta energia che sono ultra luminosi con una coerenza molto elevata ci consentiranno esperimenti in ambienti reali, non solo ambienti modello."

Streiffer ha affermato che è essenziale che la nuova sorgente di raggi X consenta misurazioni su più scale fisiche e temporali. "Pensa all'esplorazione dell'elettrochimica in una batteria. Si va da un nanosecondo con atomi che si diffondono in un ambiente locale fino a cambiamenti macroscopici nella batteria nel corso dei giorni, settimane o addirittura anni. Con l'aumento della luminosità saremo in grado di guardare l'intera immagine."

Lang indicò un'altra angolazione. "Attualmente, puoi vedere solo una piccola parte di un materiale, e ci vuole molto tempo. Con l'aggiornamento otterremo sia l'alta risoluzione che un ampio campo visivo. Per esempio, comprendere le proprietà meccaniche dei materiali policristallini, vuoi vedere come gli elementi sono distribuiti attorno ai bordi dei grani tra i cristalli, ma vuoi anche vedere come si confronta un gran numero di bordi di grano. Ciò consentirà ai ricercatori di esaminare molte più cellule, in modi che potrebbero in definitiva migliorare notevolmente i materiali strutturali utilizzati nell'industria automobilistica e aerospaziale".

Con la maggiore luminosità, Lang ha detto, arriverà anche un immenso carico di dati. "Ma abbiamo l'elaborazione ad alte prestazioni nel campus, quindi questa è una grande sinergia. Possono macinare i numeri per gestire i dati. È una fonte e una risorsa uniche molto vicine". E con il nuovo supercomputer Aurora che debutterà nel 2021, ci saranno ancora più opportunità di sfruttare le risorse senza pari di Argonne.

Bob Hettel, il direttore del progetto APS-U, è stato coinvolto nella progettazione dell'attuale APS mentre era allo SLAC National Accelerator Laboratory. Ha detto che è un momento molto eccitante per la tecnologia a raggi X, in particolare con i progressi nella progettazione degli anelli di stoccaggio, e APS ha "escogitato un approccio aggressivo che migliora e migliora ciò che altri hanno fatto negli ultimi due decenni".

Per Hettel, la sfida più grande è che non c'è un solo ostacolo tecnico, ma piuttosto è l'integrazione di tanti componenti diversi. "Ci sono un milione di parti in movimento. Ma stiamo interagendo con la comunità degli utenti, e abbiamo le persone tecniche migliori in assoluto al mondo in più aree che si sono unite per far funzionare l'intera cosa".

Kerby ha affermato che la prima chiusura dell'APS è il giugno 2022, ma non prima che tutti i pezzi della nuova macchina siano stati verificati e siano pronti per essere assemblati al posto della vecchia macchina, con l'APS aggiornato che tornerà online circa un anno dopo. A quel punto, Egli ha detto, gli utenti dovranno ricalibrare completamente il modo in cui pensano a quali esperimenti scientifici sono possibili.

Cambia l'intero gioco

Conal Murray è un membro dello staff di ricerca presso l'IBM Watson Research Center di New York che ha avuto la sua prima volta all'APS più di 20 anni fa, e che è tornato quasi ogni anno da allora.

La sua ricerca attuale riguarda l'ingegneria della deformazione nei transistor di futura generazione. I progressi in questo campo sono importanti per la scalabilità dei dispositivi in ​​applicazioni che vanno dagli smartphone ai computer ad alte prestazioni, dove è possibile ottenere una maggiore densità di transistor aumentando la funzionalità complessiva.

"La maggiore coerenza e luminosità ci consentirà di effettuare misurazioni di dispositivi reali, non solo strutture rappresentative. Potremmo farlo solo con l'aggiornamento APS, " Murray ha detto. "Ma io sono altrettanto entusiasta dei risultati inaspettati che verranno da questo aggiornamento. Non conosceremo tutti i vantaggi finché non sarà costruito e operativo".

Per Gayle Woloschak, uno scienziato ricercatore presso la Northwestern University, l'APS-U le consentirà di "saltare al livello successivo di ciò che possiamo fare. Saremo in grado di eseguire una rapida scansione delle cellule, un numero significativo in breve tempo." Ciò aumenterà notevolmente il numero di pazienti che possono essere monitorati e fornirà una comprensione molto migliore di ciò che accade durante il trattamento.

Per ricercatori come Stephan Hruszkewycz, nella divisione Scienza dei materiali di Argonne, i raggi X all'APS sono uno degli unici modi per vedere come si comportano i materiali in condizioni estreme, essenziale per affrontare una serie di sfide energetiche. "L'aggiornamento è un'enorme opportunità per la scienza dei materiali. Con le caratteristiche migliorate e adottando nuovi metodi, saremo in grado di guardare i materiali in uno stato che ci dà un'idea molto più ricca di come si stanno trasformando in ambienti estremi".

Si Chen, un fisico nella divisione di scienze a raggi X di Argonne che lavora principalmente con applicazioni biologiche, ha affermato che l'APS-U comporterà anche importanti miglioramenti delle apparecchiature. "Una delle cose più importanti non è solo l'aggiornamento stesso, ma tutti i nuovi strumenti utilizzano la luminosità che l'aggiornamento fornirà."

Chen ha detto che la stazione terminale a raggi X con cui lavora attualmente può studiare poche cellule al giorno; utilizzando una nuova macchina di seconda generazione dopo l'aggiornamento, questo aumenterà a migliaia di cellule al giorno. "Saremo in grado di raccogliere dati molto più velocemente, e che una popolazione più numerosa aumenterà la fiducia nelle conclusioni della ricerca".

Ha aggiunto che la nuova macchina consentirà ai ricercatori di raggiungere una messa a fuoco di 10 nanometri, che è da sei a ottomila volte più piccola di un singolo capello umano.

Il Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) gestisce due linee di luce presso l'APS, finanziato dal National Institutes of Health e al servizio di 600-700 utenti unici. Malcom Capel, vicedirettore NE-CAT, concordato che diverse transizioni dovranno verificarsi contemporaneamente. "I nostri sistemi di controllo hanno 20 anni, pure. Avremo nuovo software e più documentazione dei nostri sistemi per gli utenti".

Laurence Lurio è presidente del dipartimento di fisica della Northern Illinois University, il cui lavoro consiste nell'esaminare materiali biologici come proteine ​​e lipidi. Ha detto che la migliore coerenza del raggio consentirà al suo team di ricerca di concentrarsi più sulla scienza che sulla tecnica.

"La cosa più eccitante con l'aggiornamento è che passeremo dal rendere molto impegnativo, misurazioni guidate dalla tecnica a qualcosa che è molto più facile e conveniente da fare. La tecnica deve essere abbastanza facile da poter guardare la scienza. Se ti stai impegnando troppo a fare una misurazione, non puoi guardare le applicazioni importanti."

Lurio ha aggiunto che se non fosse per l'APS e il supporto del DOE, un lavoro così innovativo non sarebbe possibile. "Venendo da un'università di medie dimensioni, non abbiamo un budget enorme per le infrastrutture di ricerca. E questo è probabilmente vero per le università di ricerca ancora più grandi. Ma possiamo tutti venire all'APS e avere improvvisamente lo strumento migliore al mondo per fare un esperimento. La disponibilità di questa struttura cambia l'intero gioco".

Su un terreno solido per altri 25 anni

Il potenziale per future scoperte cruciali come risultato dell'aggiornamento è praticamente illimitato. Gli esempi possono includere sistemi rivoluzionari per convertire la luce solare in energia e immagazzinare quell'energia; meccanismi dettagliati attraverso i quali gli inquinanti si muovono attraverso il suolo; più pulito, biocarburanti più efficienti; una comprensione trasformativa della struttura nel nucleo interno della Terra; nuovi farmaci per il trattamento delle infezioni resistenti agli antibiotici; e una migliore comprensione di come il cervello elabora e memorizza le informazioni con i neuroni.

Kerby ha affermato di non avere dubbi sul fatto che l'aggiornamento avrebbe prodotto molti esempi spettacolari di scienza innovativa. Ma aggiunto, "La cosa veramente importante non sono gli esempi specifici; è l'opportunità di andare in direzioni a cui le persone prima non avevano pensato, o aveva cancellato."

E quello, ha detto Lang, è in definitiva l'obiettivo per l'aggiornamento.

"Vogliamo garantire che l'APS sia rilevante per altri 25 anni, " Lang ha detto. "In 10-15 anni, le persone cominceranno a venire con nuove idee. L'aggiornamento APS metterà Argonne su un terreno solido nel mondo per altri 25 anni. Non puoi prevedere il futuro molto più lontano di così".