COSMICO, uno strumento a raggi X multiuso presso l'Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab's), ha fatto progressi nella comunità scientifica dal suo lancio meno di 2 anni fa, con contributi innovativi in ​​campi che vanno dalle batterie ai biominerali.

COSMIC è la linea di raggi X più brillante della SLA, un sincrotrone che genera luce intensa, dagli infrarossi ai raggi X, e la trasmette a dozzine di linee di luce per eseguire una serie di esperimenti scientifici simultanei. Il nome di COSMIC deriva da scattering coerente e microscopia, che sono due tecniche radiografiche generali che è progettato per eseguire.

Le sue capacità includono una risoluzione di microscopia a raggi X molli leader a livello mondiale inferiore a 10 nanometri (miliardesimi di metro), estrema sensibilità chimica, velocità di scansione ultraveloce e la capacità di misurare i cambiamenti chimici su scala nanometrica nei campioni in tempo reale, e per facilitare l'esplorazione dei campioni con una combinazione di raggi X e microscopia elettronica. I raggi X molli rappresentano una gamma bassa nelle energie dei raggi X, mentre i raggi X duri hanno un'energia più elevata. Ogni tipo può affrontare una diversa gamma di esperimenti.

COSMIC sta preparando il terreno per un progetto a lungo termine per aggiornare la SLA vecchia di decenni. Lo sforzo, noto come aggiornamento ALS (ALS-U), sostituirà la maggior parte dei componenti degli acceleratori esistenti con tecnologie all'avanguardia, garantire capacità che consentiranno la scienza dei raggi X molli leader a livello mondiale per gli anni a venire. L'aggiornamento migliorerà ulteriormente anche la capacità di COSMIC di catturare dettagli su nanoscala nella struttura e nella chimica di un'ampia gamma di campioni.

Il previsto aumento di 100 volte della luminosità dei raggi X che ALS-U fornirà fornirà un aumento simile della velocità di imaging a COSMIC, e un miglioramento di oltre tre volte nella risoluzione delle immagini, consentendo la microscopia con risoluzione a singolo nanometro. Ulteriore, le tecnologie sviluppate ora al COSMIC saranno dispiegate su altre linee di luce presso l'ALS aggiornato, rendendo possibile la microscopia con energie dei raggi X più elevate per molti altri esperimenti. Lo strumento è una delle tante risorse altamente specializzate disponibili gratuitamente agli scienziati di tutto il mondo attraverso un processo di proposta peer-reviewed.

Un articolo di giornale, pubblicato il 16 dicembre 2020, in Progressi scientifici , mette in evidenza alcune delle capacità esistenti di COSMIC e quelle che sono in arrivo. Il documento offre esempi di risoluzione a 8 nanometri ottenuta nell'imaging di nanoparticelle magnetiche, la mappatura chimica ad alta risoluzione di un materiale catodico di una batteria durante il riscaldamento, e l'imaging ad alta risoluzione di una cellula di lievito congelata e idratata presso COSMIC. (Un catodo è un tipo di elettrodo della batteria, un componente attraverso il quale scorre la corrente.) Questi risultati servono come casi dimostrativi, rivelando informazioni critiche sulla struttura e sul funzionamento interno di questi materiali e aprendo la porta a ulteriori approfondimenti in molti campi della scienza.

Un altro articolo di giornale, pubblicato il 19 gennaio 2021), in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ha dimostrato il primo utilizzo in assoluto della tticografia dicroica lineare a raggi X, una tecnica di imaging ad alta risoluzione specializzata disponibile presso COSMIC, per mappare gli orientamenti di un cristallo noto come aragonite che è presente negli scheletri di corallo con una risoluzione di 35 nanometri. La tecnica promette di mappare altri campioni biominerali ad alta risoluzione e in 3-D, che fornirà nuove informazioni sui loro attributi unici e su come imitarli e controllarli. Alcuni biominerali hanno ispirato materiali e nanomateriali prodotti dall'uomo grazie alla loro forza, resilienza, e altre proprietà desiderabili.

"Usiamo questo facile da usare, piattaforma unica per la caratterizzazione dei materiali per dimostrare la risoluzione spaziale leader a livello mondiale, in combinazione con la microscopia operando e criogenica, " ha detto David Shapiro, l'autore principale del documento e lo scienziato principale per gli esperimenti di microscopia di COSMIC. Dirige anche il programma di microscopia ALS. "Operando" descrive la capacità di misurare i cambiamenti nei campioni mentre si verificano.

"Non c'è nessun altro strumento che abbia queste capacità collocate insieme per la microscopia a raggi X a questa risoluzione, " Ha detto Shapiro. COSMIC può fornire nuovi indizi sul funzionamento interno dei materiali su scala nanometrica, anche se funzionano attivamente, che porterà a una comprensione più profonda e a progetti migliori:per batterie, catalizzatori, o materiali biologici. Dotare COSMIC di una tale diversità di capacità ha richiesto una collaborazione altrettanto ampia tra le discipline scientifiche, ha notato.

I contributori di COSMIC includevano membri del team CAMERA (Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications) del Berkeley Lab, che include scienziati informatici, ingegneri del software, matematici applicati, e altri; esperti di tecnologia dell'informazione; specialisti di rilevatori; ingegneri; scienziati del Centro nazionale per la microscopia elettronica della fonderia molecolare; scienziati della SLA; e collaboratori esterni dello STROBE Science and Technology Center della National Science Foundation e della Stanford University.

Diverse tecnologie avanzate sviluppate da diversi gruppi sono state integrate in questo strumento. La chiave per le dimostrazioni al COSMIC riportate nel documento è l'implementazione della tticografia a raggi X, che è una tecnica di ricostruzione dell'immagine assistita da computer che può superare la risoluzione delle tecniche convenzionali fino a circa 10 volte.

Con metodi tradizionali, la risoluzione spaziale - la capacità di distinguere piccole caratteristiche nei campioni, è limitata dalla qualità dell'ottica a raggi X e dalla loro capacità di focalizzare il raggio di raggi X in un punto minuscolo. Ma l'ottica a raggi X convenzionale, quali sono gli strumenti utilizzati per manipolare la luce a raggi X per vedere i campioni più chiaramente, sono difficili da realizzare, inefficiente, e hanno lunghezze focali corte.

Invece di fare affidamento su un'ottica imperfetta, la tticografia registra un gran numero di modelli di diffrazione fisicamente sovrapposti, che sono immagini prodotte come dispersione della luce dei raggi X dal campione, ognuno dei quali offre un piccolo pezzo dell'immagine completa. Piuttosto che essere limitato dalla qualità dell'ottica, la tecnica della tticografia è limitata dalla luminosità della sorgente di raggi X, proprio il parametro che si prevede che ALS-U migliori di cento volte. Per acquisire ed elaborare l'enorme quantità di dati e ricostruire l'immagine finale sono necessarie strutture di elaborazione dei dati, algoritmi informatici, e rilevatori di pixel veloci specializzati come quelli sviluppati al Berkeley Lab.

"La tticografia a raggi X è una tecnica abilitata al rilevatore, inizialmente implementata con raggi X duri (ad alta energia) utilizzando rilevatori di pixel ibridi, e poi alla SLA con il FastCCD che abbiamo sviluppato, " disse Peter Denes, il responsabile del programma del rivelatore di SLA che ha lavorato con l'ingegnere capo John Joseph all'implementazione presso COSMIC. "Gran parte della tecnologia COSMIC ha beneficiato del programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD), come ha fatto il FastCCD, che ha tradotto gli strumenti per la cosmologia in osservazioni COSMIC." Il programma LDRD di Berkeley Lab supporta attività di ricerca innovative che mantengono il laboratorio all'avanguardia della scienza e della tecnologia.

La Ptychography utilizza una sequenza di modelli di dispersione, prodotta come dispersione di luce di raggi X da un campione. Questi modelli di dispersione vengono analizzati da un computer che esegue algoritmi ad alte prestazioni, che li convertono in un'immagine ad alta risoluzione.

Nel 16 dicembre, 2020, carta, i ricercatori hanno evidenziato come le immagini tticografiche hanno permesso di vedere la distribuzione chimica ad alta risoluzione in particelle microscopiche di un materiale catodico di batteria al litio ferro fosfato (Li _0,5 FePo ₄ ). Le immagini tticografiche hanno mostrato caratteristiche chimiche su scala nanometrica all'interno delle particelle che non erano visibili utilizzando la forma convenzionale della tecnica di imaging, chiamata spettromicroscopia.

In una dimostrazione separata di tticografia al COSMIC, i ricercatori hanno notato cambiamenti chimici in una raccolta di nanoparticelle LixFePO4 quando sottoposte a riscaldamento.

La tipografia è anche una fonte delle pesanti richieste di dati di COSMIC. La linea di luce può produrre diversi terabyte di dati al giorno, o abbastanza per riempire alcuni computer portatili. I calcoli intensivi richiesti per l'imaging di COSMIC richiedono un cluster dedicato di GPU (unità di elaborazione grafica), che sono processori di computer specializzati.

L'aggiornamento ALS spingerà ulteriormente le sue richieste di dati fino a un previsto di 100 terabyte al giorno, ha notato Shapiro. Sono già in fase di discussione piani per l'utilizzo di più risorse presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab per accogliere questo aumento di dati in attesa.

COSMIC è un esempio stellare del progetto Superfacility di Berkeley Lab, che è progettato per collegare sorgenti luminose come l'ALS e strumentazione all'avanguardia, inclusi microscopi e telescopi, con dati e risorse di calcolo ad alte prestazioni in tempo reale, disse Bjoern Enders, un architetto dei flussi di lavoro di data science nel Data Science Engagement Group di NERSC.

"Amiamo i dati e le sfide informatiche di strumenti come COSMIC che si avventurano oltre i confini delle strutture, " Ha detto Enders. "Stiamo lavorando per un futuro in cui sarà facile come un clic di un pulsante utilizzare le risorse del NERSC da una linea di luce." L'aggiunta del nuovo supercomputer Perlmutter al NERSC, Ha aggiunto, "sarà un partner ideale per COSMIC nella scienza del team."

COSMIC è stato avviato in modalità commissioning a marzo 2017, e aperto a esperimenti scientifici generali circa 2 anni fa. Da questo momento, il personale dello strumento ha lanciato le capacità di operando che misurano i processi chimici attivi, Per esempio, e ha implementato la microscopia dicroica lineare e circolare e le funzionalità di tomografia che estendono ulteriormente la gamma di esperimenti di imaging di COSMIC.

Il suo ramo di scattering coerente è ora in fase di test e non è ancora disponibile per gli utenti esterni. Sono inoltre in corso lavori per correlare i risultati della microscopia a raggi X con i risultati della microscopia elettronica per i processi attivi, e per sviluppare ulteriormente le sue capacità criogeniche, che consentirà ai campioni biologici e ad altri materiali morbidi di essere protetti dai danni causati dal raggio di raggi X ultraluminosi durante l'acquisizione delle immagini. La combinazione di microscopia a raggi X ed elettronica può fornire un potente strumento per raccogliere informazioni chimiche e strutturali dettagliate sui campioni, come dimostrato in un esperimento che coinvolge COSMIC che è stato evidenziato nella rivista Progressi scientifici .

Shapiro ha notato che ci sono piani per introdurre una nuova stazione sperimentale sulla linea di luce, cronometrato con ALS-U, per ospitare più esperimenti.

Un segreto del successo di COSMIC è che lo strumento è progettato per essere compatibile con i componenti standard per la manipolazione dei campioni. Shapiro ha affermato che questo approccio intuitivo "è stato molto importante per noi, " e rende più facile per i ricercatori del mondo accademico e industriale progettare esperimenti compatibili con COSMIC. "Gli utenti possono semplicemente presentarsi e collegare (i campioni). Aumenta la nostra portata, scientificamente, " Egli ha detto.

Mentre COSMIC è ricco di funzionalità, non è ingombrante, e Shapiro lo descrisse come "snellito nelle dimensioni e nei costi". Ha detto che spera che sarà un modello per le future linee di luce, sia presso ALS-U che presso altri impianti di sincrotrone.

"Penso che ciò che è veramente interessante è che è uno strumento molto compatto. È ad alte prestazioni e molto stabile, " ha detto. "E 'molto maneggevole e non molto costoso. In questo senso dovrebbe essere molto attraente per i sincrotroni".