Van chemie tot materiaalkunde tot COVID-19-onderzoek, de APS is een van de meest productieve röntgenlichtbronnen ter wereld. Een upgrade maakt het een wereldleider onder de volgende generatie lichtbronnen, het openen van nieuwe grenzen in de wetenschap.

In de bijna 25 jaar sinds de Advanced Photon Source (APS), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, voor het eerst geopend in DOE's Argonne National Laboratory, het heeft een essentiële rol gespeeld bij enkele van de meest cruciale ontdekkingen en vorderingen in de wetenschap.

Meer dan 5, Jaarlijks voeren 000 onderzoekers van over de hele wereld experimenten uit bij het APS, en hun werk heeft naast vele andere opmerkelijke successen, de weg vrijgemaakt voor betere hernieuwbare batterijen; resulteerde in de ontwikkeling van tal van nieuwe medicijnen; en geholpen om voertuigen efficiënter te maken, infrastructuurmaterialen sterker en elektronica krachtiger.

Onderzoek bij het APS heeft ook direct geleid tot twee Nobelprijzen, en droeg bij aan een derde. Meest recent, het APS levert een belangrijke bijdrage in de strijd tegen COVID-19. De bundellijnen zijn betrokken bij onderzoek om zowel de eiwitstructuren van het virus te identificeren als potentiële farmaceutische behandelingen en/of vaccins te vinden. Dergelijk werk maakt het voortdurende belang van röntgenlichtbronnen duidelijk, zoals de APS, bij het oplossen van kritieke problemen voor onze wereld.

Hoewel het APS nog steeds een van de meest vooraanstaande onderzoeksfaciliteiten in zijn soort is, de elektronenopslagring die de kern vormt, werd eind jaren tachtig ontworpen en even baanbrekend als toen, vertrouwt nu op verouderde technologie.

"Na 25 jaar de uitdaging is hoe we van het APS een interessante en nuttige plek voor onderzoekers blijven maken?" vroeg Jim Kerby, chief project officer voor de APS Upgrade (APS-U), die naar Argonne kwamen om die vraag te helpen beantwoorden. "Hoe creëren we een faciliteit die kansen blijft bieden voor werk dat nergens anders kan worden gedaan?"

Terwijl de APS klaar is om een ​​upgrade van $ 815 miljoen te ondergaan, al eind 2023, wetenschap op een geheel nieuwe en ongekende schaal mogelijk maken, het APS-team in Argonne en de duizenden onderzoekers die het ondersteunt, kijken opgewonden vooruit, zelfs als niemand het volledige scala aan wetenschappelijke mogelijkheden die wacht, volledig kan kennen.

"De APS-upgrade stelt ons in staat om nieuwe experimenten uit te voeren die we ons nu nauwelijks kunnen voorstellen. Het zal transformerend zijn, " zei Jonathan Lang, directeur van de APS X-ray Science Division (XSD).

"Van Usain Bolt naar een F-15"

De APS werkt als een gigantische röntgenmicroscoop. Het produceert extreem heldere röntgenstralen die door dichte materialen kunnen turen en de structuur en chemie van materie op moleculair en atomair niveau verlichten. Als onderdeel van de upgrade, de bestaande cirkelvormige opslagring van 1,1 kilometer wordt vervangen en röntgenbundellijnen en andere apparatuur worden bijgewerkt, het creëren van een veel krachtigere röntgenfaciliteit en helderdere röntgenproductie.

De helderheid van de röntgenstralen zal tot 500 keer groter zijn dan de huidige machine, zei Kerby, en zal de prestaties aanzienlijk verbeteren.

"Dat is moeilijk voor iemand om zich echt voor te stellen, "Zei Kerby. "Het is alsof je van Usain Bolt gaat, een wereldrecordhoudend baan- en veldsprinter die bekend staat als een van de snelste mannen op aarde, naar een F-15 jachtvliegtuig. Beide zijn snel, maar het zijn twee heel verschillende soorten snelheid. Experimenten die voorheen onmogelijk waren om in een realistische hoeveelheid tijd uit te voeren, worden nu in minuten tot uren uitgevoerd."

Een andere belangrijke verbetering betreft bundelcoherentie, die betrekking heeft op hoe geordend het röntgenlicht is. Lang zei dat het zal gaan van zoiets als een schijnwerper die een brede lichtstraal produceert naar iets dat veel meer op een laser lijkt.

Volgens Stephen Streiffer, plaatsvervangend laboratoriumdirecteur voor wetenschap en technologie, interim associate laboratoriumdirecteur voor Photon Sciences, en directeur van het APS, coherentie is vooral belangrijk:"Röntgenstralen met hoge energie die ultrahelder zijn met een zeer hoge coherentie zullen ons in staat stellen om in echte omgevingen te experimenteren, niet alleen modelomgevingen."

Streiffer zei dat het essentieel was dat de nieuwe röntgenbron metingen mogelijk maakt over meerdere fysieke en tijdschalen. "Denk aan het onderzoeken van de elektrochemie in een batterij. Het gaat van een nanoseconde met atomen die diffunderen in een lokale omgeving tot macroscopische veranderingen in de batterij gedurende dagen, weken of zelfs jaren. Met de verhoogde helderheid kunnen we naar het hele plaatje kijken."

Lang wees naar een andere hoek. "Momenteel, je kunt maar een klein deel van een materiaal zien, en het duurt lang. Met de upgrade krijgen we zowel een hoge resolutie als een breed gezichtsveld. Bijvoorbeeld, mechanische eigenschappen in polykristallijne materialen begrijpen, je wilt zien hoe elementen zijn verdeeld rond korrelgrenzen tussen kristallen, maar je wilt ook zien hoe een groot aantal korrelgrenzen zich verhoudt. Hierdoor kunnen onderzoekers naar veel meer cellen kijken, op manieren die uiteindelijk de structurele materialen die in de auto- en ruimtevaartindustrie worden gebruikt, drastisch kunnen verbeteren."

Met de hogere helderheid, Lang zei, zal ook een enorme gegevensbelasting met zich meebrengen. "Maar we hebben high-performance computing op de campus, dus dat is een geweldige synergie. Ze kunnen de cijfers kraken om de gegevens te verwerken. Het is een unieke bron en een hulpmiddel in de buurt." En met de nieuwe Aurora-supercomputer die in 2021 debuteert, er zullen nog meer mogelijkheden zijn om gebruik te maken van de ongeëvenaarde middelen van Argonne.

Bob Hettel, de directeur van het APS-U-project, was betrokken bij het ontwerpen van de huidige APS terwijl hij bij SLAC National Accelerator Laboratory was. Hij zei dat het een zeer opwindende tijd is voor röntgentechnologie, vooral met de vooruitgang in het ontwerp van de opslagring, en APS heeft "een agressieve aanpak bedacht die verbetert en verbetert wat anderen de afgelopen twee decennia hebben gedaan."

Voor Hettel, de grootste uitdaging is dat er geen enkele technische hindernis is, maar het is eerder de integratie van zoveel verschillende componenten. "Er zijn een miljoen bewegende delen. Maar we werken samen met de gebruikersgemeenschap, en we hebben absoluut de beste technische mensen ter wereld op meerdere gebieden die zijn samengekomen om het geheel te laten werken."

Kerby zei dat de APS op zijn vroegst in juni 2022 zou worden stopgezet - maar niet voordat alle onderdelen van de nieuwe machine zijn uitgecheckt en klaar zijn om op de plaats van de oude machine te worden gemonteerd - waarbij de geüpgradede APS ongeveer een jaar weer online komt later. Op dat punt, hij zei, gebruikers zullen volledig moeten herijken hoe zij denken over welke wetenschappelijke experimenten mogelijk zijn.

Verandert het hele spel

Conal Murray is een onderzoeksstaflid bij het IBM Watson Research Center in New York, die meer dan 20 jaar geleden zijn eerste straaltijd had bij de APS, en die sindsdien bijna elk jaar terugkeert.

Zijn huidige onderzoek omvat spanningsengineering in toekomstige generatie transistors. Vooruitgang op dit gebied is belangrijk voor het schalen van apparaten in toepassingen variërend van smartphones tot high-performance computing, waar een grotere transistordichtheid kan worden bereikt terwijl de algehele functionaliteit wordt vergroot.

"De verbeterde coherentie en helderheid stellen ons in staat om metingen te doen aan echte apparaten, niet alleen representatieve structuren. We konden dit alleen doen met de APS Upgrade, "Zei Murray. "Maar ik ben net zo enthousiast over de onverwachte resultaten die deze upgrade zal opleveren. We zullen de volledige voordelen pas kennen als het is gebouwd en werkt."

Voor Gayle Woloschak, een onderzoeker aan de Northwestern University, de APS-U zal haar in staat stellen om "vooruit te springen naar het volgende niveau van wat we kunnen doen. We zullen een snelle scan van cellen kunnen doen, een aanzienlijk aantal in korte tijd." Dit zal het aantal patiënten dat kan worden gevolgd enorm vergroten en een veel beter begrip geven van wat er tijdens de behandeling gebeurt.

Voor onderzoekers als Stephan Hruszkewycz, in de Materials Science-divisie van Argonne, de röntgenfoto's op het APS zijn een van de weinige manieren om te zien hoe materialen zich onder extreme omstandigheden gedragen, die essentieel is om een ​​reeks energie-uitdagingen aan te gaan. "De upgrade is een enorme kans voor de materiaalwetenschap. Met de verbeterde eigenschappen en door nieuwe methoden toe te passen, we zullen in staat zijn om materialen te bekijken in een staat die ons een veel rijker idee geeft van hoe ze transformeren in extreme omgevingen."

Si Chen, een fysicus in Argonne's X-ray Science Division die voornamelijk werkt met biologische toepassingen, zei dat de APS-U ook belangrijke uitrustingsverbeteringen zal omvatten. "Een van de belangrijkste dingen is niet alleen de upgrade zelf, maar alle nieuwe instrumenten om de helderheid te gebruiken die de upgrade zal bieden."

Chen zei dat het röntgeneindstation waarmee ze momenteel werkt een paar cellen per dag kan bestuderen; na de upgrade een nieuwe machine van de tweede generatie gebruiken, dit zal oplopen tot duizenden cellen per dag. "We zullen veel sneller gegevens kunnen verzamelen, en die grotere populatie zal het vertrouwen van de onderzoeksconclusies vergroten."

Ze voegde eraan toe dat onderzoekers met de nieuwe machine een focus van 10 nanometer kunnen bereiken, wat zes tot achtduizend keer kleiner is dan een enkele mensenhaar.

Het Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) beheert twee bundellijnen bij het APS, gefinancierd door de National Institutes of Health en met 600-700 unieke gebruikers. Malcolm Capel, NE-CAT plaatsvervangend directeur, overeengekomen dat er meerdere transities tegelijk moeten plaatsvinden. "Onze controlesystemen zijn 20 jaar oud, te. We zullen nieuwe software hebben en meer documentatie van onze systemen voor gebruikers."

Laurence Lurio is voorzitter van de afdeling natuurkunde van de Northern Illinois University, wiens werk het onderzoeken van biologische materialen zoals eiwitten en lipiden omvat. Hij zei dat de verbeterde bundelcoherentie zijn onderzoeksteam in staat zal stellen zich meer op wetenschap dan op techniek te concentreren.

"Het meest opwindende aan de upgrade is dat we van het maken van zeer uitdagende, techniekgedreven metingen tot iets dat veel gemakkelijker en handiger is om te doen. De techniek moet eenvoudig genoeg zijn om naar de wetenschap te kunnen kijken. Als je te hard je best doet om een ​​meting te doen, kun je de belangrijke toepassingen niet bekijken."

Lurio voegde eraan toe dat als de APS en de steun van DOE er niet waren, dergelijk innovatief werk zou niet mogelijk zijn. "Afkomstig van een middelgrote universiteit, we hebben geen enorm budget voor onderzoeksinfrastructuur. En dat geldt waarschijnlijk voor nog grotere onderzoeksuniversiteiten. Maar we kunnen allemaal naar APS komen en ineens de beste tool ter wereld hebben om een ​​experiment te doen. De beschikbaarheid van deze faciliteit verandert het hele spel."

Nog 25 jaar op vaste grond

Het potentieel voor toekomstige cruciale ontdekkingen als gevolg van de upgrade is vrijwel onbeperkt. Voorbeelden zijn revolutionaire systemen om zonlicht om te zetten in energie en die energie op te slaan; gedetailleerde mechanismen waarmee verontreinigende stoffen door de bodem bewegen; schoner, efficiëntere biobrandstoffen; een transformationeel begrip van de structuur in de binnenkern van de aarde; nieuwe medicijnen voor de behandeling van infecties die resistent zijn tegen antibiotica; en een beter begrip van hoe de hersenen informatie verwerken en opslaan met neuronen.

Kerby zei dat hij er geen twijfel over had dat de upgrade veel spectaculaire voorbeelden van innovatieve wetenschap zou opleveren. Maar toegevoegd, "Het echt belangrijke zijn niet de specifieke voorbeelden; het is de mogelijkheid om in een richting te gaan waar mensen voorheen niet aan hadden gedacht, of had afgeschreven."

En dat, zei Lang, is uiteindelijk het doel van de upgrade.

"We willen ervoor zorgen dat het APS nog 25 jaar relevant is, " zei Lang. "Over 10 tot 15 jaar, mensen zullen met nieuwe ideeën komen. De APS Upgrade zal Argonne voor nog eens 25 jaar op vaste grond in de wereld zetten. Veel verder dan dat kun je de toekomst niet voorspellen."