Da più di 25 anni, gli intensi raggi X dell'Advanced Photon Source hanno permesso importanti scoperte. Con un massiccio aggiornamento in cantiere, gli scienziati saranno in grado di vedere cose su scala mai viste prima.

Ogni scoperta scientifica inizia con un'osservazione. Circa 125 anni fa, il nostro potere di osservazione si è notevolmente ampliato con la scoperta della luce invisibile nota come raggi X. Molti di noi li conoscono come una tecnica di scansione medica, ma i raggi X più potenti ci danno la capacità di scrutare all'interno anche dei materiali più densi e vedere gli atomi all'interno.

Presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), raggi X eccezionalmente potenti aiutano i principali scienziati del mondo a risolvere problemi complessi legati alle tecnologie energetiche pulite, ricerca sul clima, medicina e molti altri campi.

Sorgente di fotoni avanzati di Argonne (APS), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, ha prodotto la sua prima luce a raggi X nel 1995. Da allora, l'APS ha permesso scoperte in quasi tutte le discipline di ricerca scientifica, compresi gli studi che hanno vinto il Premio Nobel 2009 e 2012 per la chimica.

Uno strumento potente che abbraccia lo spettro della scienza

L'APS è una fonte leader mondiale di raggi X ad alta energia noti come raggi X duri. Questi raggi intensamente luminosi sono la chiave per visualizzare le proprietà della materia in modo che possiamo capirli, migliorarli e reinventarli. Ogni giorno all'APS, un raggio di raggi X potrebbe essere focalizzato sulle proteine ​​che compongono un agente patogeno come il coronavirus, cristalli di salgemma al litio per batterie a ricarica rapida, i microbi presenti nel suolo o anche un granello di combustibile nucleare irraggiato.

Già una delle macchine tecnologicamente più complesse al mondo, l'APS è nel bel mezzo di un aggiornamento rivoluzionario. Una volta completato l'aggiornamento, la struttura sarà in grado di generare raggi X fino a 500 volte più luminosi di quanto sia possibile oggi. Ciò consentirà agli scienziati di osservare una serie di fenomeni in modo molto più dettagliato e spesso entro intervalli di tempo misurati in miliardesimi di secondo.

"Se vuoi capire i materiali a livello atomico, guarda come sono disposti gli atomi, come si muovono e come cambiano:i raggi X che produciamo qui sono strumenti chiave per farlo accadere, " ha detto Jonathan Lang, direttore della divisione di scienze a raggi X di Argonne.

L'APS genera raggi X attraverso un acceleratore di particelle a forma di anello. Particelle subatomiche chiamate elettroni sfrecciano attorno all'anello, guidato da magneti. Mentre gli elettroni si muovono attraverso speciali array magnetici chiamati ondulatori, emettono fotoni, che sono particelle di luce. I fotoni vengono quindi incanalati in una delle tante linee di luce APS a disposizione dei ricercatori, ciascuno utilizzato per uno scopo scientifico specifico.

Il lavoro svolto presso l'APS, che ospita annualmente circa 5, 500 accademici, ricercatori di laboratorio e industriali di tutto il mondo, serve una varietà di obiettivi scientifici. Aiuta i ricercatori a comprendere i processi alla base delle batterie e dell'energia nucleare, Per esempio. Le intuizioni dell'APS informano anche la progettazione di motori a reazione più efficienti e tecniche per produrre idrogeno dall'acqua, aprendo la strada all'idrogeno pulito per auto ed elettricità. Tutti questi stanno aiutando la nazione a muoversi verso un futuro a zero emissioni di carbonio per mitigare i cambiamenti climatici.

Recentemente, l'APS è stato determinante nella ricerca su SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, illuminando la struttura delle sue proteine. Le proteine ​​del virus sono state utilizzate come base dei vaccini che stimolano una risposta immunitaria nel corpo. Questa è l'ultima di una serie di scoperte biomediche aiutate dall'APS, compreso un farmaco promettente per curare l'Ebola e nuove strade per combattere il cancro con la chemioterapia.

"L'APS è in grado di fornire ampi set di conoscenze in molte discipline diverse, " ha detto Lang. Un esempio che ha indicato è lo sviluppo di dispositivi elettronici più piccoli che richiedono meno energia per funzionare, uno sforzo che si basa sugli studi sui materiali condotti presso l'APS. "Tutta la conoscenza che stiamo acquisendo qui su come mettere insieme le cose e come disporre gli atomi contribuisce alle basi di tutto, dalle batterie avanzate ai trattamenti per il cancro".

Un nuovo "stato dell'arte"

L'APS, che è finanziato attraverso il programma di scienze energetiche di base dell'Office of Science del DOE, era lo stato dell'arte quando è arrivato online negli anni '90. Una struttura del genere deve essere costruita non solo per il momento, ma per i decenni a venire.

"Il design originale dell'APS è stato realizzato con sufficiente accortezza che è solo ora, quasi 30 anni nel futuro, che stiamo sfruttando appieno tutte le capacità della struttura attuale, " ha detto Stephen Streiffer, Vice direttore del laboratorio di Argonne per la scienza e la tecnologia e direttore dell'APS.

L'aggiornamento pianificato comporterà la sostituzione completa dell'anello di accumulo di elettroni con un nuovo, modello più potente. Ciò si tradurrà in una risoluzione migliore per scienziati come Mary Upton, un fisico ad Argonne che lavora con scienziati in visita su esperimenti alla linea di luce 27-ID. I ricercatori di questa linea di luce si concentrano spesso sui materiali magnetici che sono gli elementi costitutivi della memoria del computer.

"Stiamo entrando in un momento emozionante all'APS, " Upton ha detto. "Quello che era già uno strumento incredibilmente preciso alla linea di luce 27-ID diventerà ancora più potente con l'aggiornamento. Le intuizioni risultanti amplieranno le capacità di tutti i nostri dispositivi elettronici".

Ma questo è solo l'inizio della storia. Altre linee di luce che offrono agli utenti tecniche basate sull'imaging a raggi X vedranno miglioramenti che equivalgono al miglioramento della luminosità dei raggi X, consentendo loro di scansionare volumi fino a 500 volte più grandi di quanto attualmente possibile.

"Questa è la differenza tra, ad esempio, essere in grado di esaminare l'anatomia di un minuscolo frammento di cervello di topo, piuttosto che essere in grado di esaminare l'intera faccenda. Solo così puoi davvero capire cosa stai guardando, "Spiega Streiffer.

La nuova sorgente di raggi X consentirà misurazioni più rapide e più ampie. Prendi l'elettrochimica in una batteria, Per esempio. Gli elettroni si spostano rapidamente da un'estremità all'altra quando le batterie si caricano e si scaricano. Ma nel corso dei giorni, settimane o anni, altri cambiamenti nella chimica della batteria si verificano durante l'uso. La maggiore luminosità consentirà di vedere questa immagine più grande.

"L'aggiornamento dell'APS consentirà la scienza su scale che non possiamo nemmeno sognare in questo momento, " ha detto Dennis Mills, vice direttore associato del laboratorio per la scienza dei fotoni presso Argonne. "La maggiore luminosità, così come la capacità di focalizzare quei raggi luminosi fino a dimensioni incredibilmente piccole, aprirà nuove strade di scoperta che porteranno a importanti innovazioni in una serie di campi."

I raggi più luminosi inoltre accelereranno notevolmente la ricerca, rendendo possibili esperimenti precedentemente irrealizzabili da condurre in pochi minuti o ore. "Se impieghi un'ora per raccogliere i dati, invece di un mese intero, fa solo un mondo di differenza, "Ha detto Lang. "Questo è ciò che l'aggiornamento ci permetterà di fare."

Luce più brillante, più dati

La velocità con cui le sorgenti luminose sono migliorate negli ultimi decenni ha superato la velocità con cui i computer sono diventati più veloci, ha osservato Streiffer. Ecco perché l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, è una risorsa fondamentale.

"Le sorgenti luminose rappresentano un'enorme sfida per i dati, "Ha detto Streiffer. "Avere la nostra esperienza e quindi la potenza di calcolo dell'ALCF è un fattore chiave di successo per poter utilizzare l'APS aggiornato e produrre scienza".

Proprio adesso, l'APS raccoglie circa 5 petabyte di dati grezzi all'anno:1 petabyte equivale a un milione di gigabyte. Con l'aggiornamento, quel numero salirà a centinaia di petabyte all'anno. Il prossimo supercomputer Aurora, che arriva nel 2022, completerà l'ondata di dati.

"Aurora e altri sistemi ALCF saranno fondamentali per l'elaborazione e la comprensione dei dati generati nell'era dell'aggiornamento APS, " ha detto Nicholas Schwarz, principale informatico ad Argonne.

L'ALCF e l'APS saranno collegati tramite una rete ad alta velocità per consentire lo scambio di enormi set di dati. Questo accoppiamento di strumenti APS e supercomputer ALCF consentirà l'analisi in tempo reale per aiutare gli scienziati a prendere decisioni cruciali sugli esperimenti, ha detto Schwarz.

Già, gli scienziati di Argonne hanno applicato l'intelligenza artificiale per prevedere e ricostruire i dati a raggi X più velocemente rispetto ai metodi tradizionali. Questo tipo di lavoro, insieme alla maggiore potenza disponibile con Aurora, aiuterà l'ALCF a tenere il passo con l'afflusso dell'APS aggiornato.

"L'intelligenza artificiale toccherà tutti gli aspetti del funzionamento dell'APS, dal controllo della stabilità dell'anello di stoccaggio aggiornato all'allineamento automatico dei campioni nel raggio di raggi X, " ha detto Schwarz.

Se gli ultimi tre decenni sono indicativi, i ricercatori troveranno modi per utilizzare l'APS aggiornato per realizzare scoperte che oggi non possiamo nemmeno immaginare. Nei primi giorni dell'APS, Streiffer ha notato, pochi pensavano che l'APS sarebbe stato utile per determinare la struttura di una proteina.

La saggezza popolare sosteneva che se metti un cristallo proteico nel raggio, verrebbe vaporizzato prima che tu possa ottenere dati utili. Anziché, l'APS è diventata una casa importante per questo tipo di biologia strutturale, grazie a scrupolosi metodi sperimentali che consentono ai biologi di misurare un campione senza distruggerlo.

"L'APS parla di uno degli aspetti della scienza che la rende così impegnativa, ma anche così gratificante, " ha detto Streiffer. "Non sei mai del tutto sicuro di quello che scoprirai."