Al meer dan 25 jaar, De intense röntgenstralen van de Advanced Photon Source hebben belangrijke doorbraken mogelijk gemaakt. Met een enorme upgrade in de maak, wetenschappers zullen dingen op schaal kunnen zien die nog nooit eerder zijn gezien.

Elke wetenschappelijke doorbraak begint met een observatie. Ongeveer 125 jaar geleden, ons waarnemingsvermogen is enorm uitgebreid met de ontdekking van het onzichtbare licht dat bekend staat als röntgenstralen. Velen van ons kennen ze als een medische scantechniek, maar de krachtigste röntgenstralen geven ons de mogelijkheid om zelfs in de dichtste materialen naar binnen te kijken en de atomen binnenin te zien.

In het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), uitzonderlijk krachtige röntgenstralen helpen 's werelds toonaangevende wetenschappers bij het oplossen van complexe problemen met betrekking tot schone energietechnologieën, klimaat onderzoek, geneeskunde en vele andere gebieden.

Argonne's geavanceerde fotonbron (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, produceerde zijn eerste röntgenlicht in 1995. Sindsdien de APS heeft ontdekkingen mogelijk gemaakt in bijna elke wetenschappelijke onderzoeksdiscipline, inclusief studies die in 2009 en 2012 de Nobelprijzen voor scheikunde wonnen.

Een krachtig hulpmiddel dat het wetenschappelijke spectrum omspant

De APS is een toonaangevende bron van hoogenergetische röntgenstralen, ook wel harde röntgenstralen genoemd. Deze intens heldere stralen zijn de sleutel om de eigenschappen van materie in beeld te brengen, zodat we ze kunnen begrijpen, verbeteren en opnieuw uitvinden. Op een willekeurige dag bij het APS, een röntgenstraal kan worden gericht op de eiwitten waaruit een ziekteverwekker zoals coronavirus bestaat, kristallen van lithium-rocksalt voor snelladende batterijen, de microben die aanwezig zijn in de bodem of zelfs een vlekje bestraalde splijtstof.

Nu al een van de technologisch meest complexe machines ter wereld, de APS bevindt zich midden in een revolutionaire upgrade. Zodra de upgrade is voltooid, de faciliteit zal röntgenstralen kunnen genereren die tot 500 keer helderder zijn dan wat vandaag mogelijk is. Dat stelt wetenschappers in staat om een ​​reeks verschijnselen in veel fijner detail te observeren en vaak binnen tijdsbestekken, gemeten in miljardsten van seconden.

"Als je materialen op atomair niveau wilt begrijpen, kijk dan hoe de atomen zijn gerangschikt, hoe ze bewegen en hoe ze veranderen - de röntgenfoto's die we hier produceren, zijn belangrijke hulpmiddelen om dat mogelijk te maken, " zei Jonathan Lang, directeur van Argonne's X-ray Science Division.

De APS genereert röntgenstraling via een ringvormige deeltjesversneller. Subatomaire deeltjes, elektronen genaamd, ritsen rond de ring, gestuurd door magneten. Terwijl de elektronen door speciale magnetische arrays kronkelen die undulatoren worden genoemd, ze geven fotonen af, die lichtdeeltjes zijn. De fotonen worden vervolgens naar een van de vele APS-bundellijnen geleid die beschikbaar zijn voor onderzoekers, elk gebruikt voor een specifiek wetenschappelijk doel.

De werkzaamheden bij het APS, die jaarlijks ongeveer 5, 500 academische, laboratorium- en industrieonderzoekers van over de hele wereld, dient verschillende wetenschappelijke doelen. Het helpt onderzoekers de processen te begrijpen die ten grondslag liggen aan batterijen en kernenergie, bijvoorbeeld. Inzichten van het APS vormen ook de basis voor het ontwerp van efficiëntere straalmotoren en technieken voor het maken van waterstof uit water, de weg vrijmaakt voor schone waterstofbrandstof voor auto's en elektriciteit. Dit alles helpt de natie op weg naar een koolstofvrije toekomst om klimaatverandering tegen te gaan.

Onlangs, de APS heeft een belangrijke rol gespeeld bij het onderzoek naar SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, door de structuur van zijn eiwitten te verlichten. Eiwitten van het virus zijn gebruikt als basis voor vaccins die een immuunrespons in het lichaam stimuleren. Dit is de laatste in een reeks van biomedische doorbraken, geholpen door de APS, waaronder een veelbelovend medicijn om ebola te behandelen en nieuwe wegen om kanker te bestrijden met chemotherapie.

"Het APS is geweldig in het bijdragen van brede kennissets aan veel verschillende disciplines, " zei Lang. Een voorbeeld waarop hij wees, is de ontwikkeling van kleinere elektronische apparaten die minder stroom nodig hebben om te werken, een inspanning die voortbouwt op materiaalstudies uitgevoerd door het APS. "Alle kennis die we hier opdoen over hoe je dingen in elkaar zet en hoe je de atomen rangschikt, draagt ​​bij aan de basis van alles, van geavanceerde batterijen tot behandelingen voor kanker."

Een nieuwe 'state of the art'

de APS, die wordt gefinancierd door het DOE's Office of Science Basic Energy Sciences-programma, was state-of-the-art toen het in de jaren negentig online kwam. Zo'n faciliteit moet niet alleen voor het moment worden gebouwd, maar voor de komende decennia.

"Het oorspronkelijke ontwerp van de APS is met genoeg voorbedachte rade gedaan dat het nu pas, bijna 30 jaar in de toekomst, dat we alle mogelijkheden van de huidige faciliteit volledig benutten, " zei Stephen Streiffer, Argonne's plaatsvervangend laboratoriumdirecteur voor wetenschap en technologie en directeur van het APS.

De geplande upgrade houdt in dat de elektronenopslagring volledig wordt vervangen door een nieuwe, krachtiger model. Dit zal resulteren in een betere resolutie voor wetenschappers zoals Mary Upton, een natuurkundige in Argonne die met bezoekende wetenschappers werkt aan experimenten op de 27-ID-bundellijn. Onderzoekers bij deze bundellijn zijn vaak gefocust op magnetische materialen die de bouwstenen zijn van computergeheugen.

"We gaan een spannende tijd tegemoet bij de APS, "Zei Upton. "Wat al een verbazingwekkend nauwkeurig instrument was bij de 27-ID-straallijn, zal nog krachtiger worden met de upgrade. De resulterende inzichten zullen de mogelijkheden van al onze elektronische apparaten uitbreiden."

Maar dit is nog maar het begin van het verhaal. Andere bundellijnen die gebruikers technieken bieden op basis van röntgenbeeldvorming, zullen verbeteringen zien die gelijk zijn aan de verbetering van de helderheid van de röntgenstralen, waardoor ze volumes kunnen scannen die tot 500 keer groter zijn dan momenteel mogelijk is.

"Dit is het verschil tussen bijvoorbeeld, in staat zijn om de anatomie van een klein stukje muizenhersenen te onderzoeken, versus het kunnen onderzoeken van het geheel. Alleen dan kun je echt begrijpen waar je naar kijkt, ’ legde Streiffer uit.

De nieuwe röntgenbron maakt snellere en bredere metingen mogelijk. Neem elektrochemie in een batterij, bijvoorbeeld. Elektronen bewegen snel van het ene uiteinde naar het andere wanneer batterijen worden opgeladen en ontladen. Maar over dagen, weken of jaren, andere veranderingen in de chemie van de batterij treden op tijdens het gebruik. De verhoogde helderheid maakt het mogelijk om dit grotere geheel te zien.

"De upgrade van de APS zal wetenschap mogelijk maken op een schaal waar we nu niet eens van kunnen dromen, " zei Dennis Mills, plaatsvervangend associate lab director voor fotonenwetenschap bij Argonne. "De verhoogde helderheid, evenals de mogelijkheid om die heldere stralen te focussen tot ongelooflijk kleine afmetingen, zal nieuwe ontdekkingswegen openen die zullen leiden tot belangrijke innovaties op een aantal gebieden."

De helderdere stralen zullen ook het onderzoek enorm versnellen, waardoor voorheen onhaalbare experimenten binnen enkele minuten of uren konden worden uitgevoerd. "Als je een uur nodig hebt om gegevens te verzamelen, in tegenstelling tot een hele maand, het maakt gewoon een wereld van verschil, "Zei Lang. "Dat is wat we met de upgrade kunnen doen."

Helderder licht, meer gegevens

De snelheid waarmee lichtbronnen de afgelopen decennia zijn verbeterd, overtreft de snelheid waarmee computers sneller zijn geworden, merkte Streiffer op. Daarom heeft de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een andere DOE Office of Science User Facility, is een belangrijke troef.

"Lichtbronnen vormen een enorme data-uitdaging, Streiffer zei. "Het hebben van onze expertise en vervolgens de rekenkracht van de ALCF is een belangrijke succesfactor om de verbeterde APS te kunnen gebruiken en wetenschap te produceren."

Direct, de APS verzamelt ongeveer 5 petabyte aan onbewerkte gegevens per jaar - 1 petabyte is een miljoen gigabyte. Met de upgrade, dat aantal zal oplopen tot honderden petabytes per jaar. De aankomende Aurora-supercomputer, die in 2022 aankomt, zal de golf van gegevens aanvullen.

"Aurora en andere ALCF-systemen zullen van cruciaal belang zijn voor het verwerken en begrijpen van gegevens die zijn gegenereerd in het APS-upgradetijdperk, " zei Nicolaas Schwarz, hoofdcomputerwetenschapper bij Argonne.

De ALCF en de APS zullen via een hogesnelheidsnetwerk met elkaar worden verbonden om de uitwisseling van enorme datasets mogelijk te maken. Deze koppeling van APS-instrumenten en ALCF-supercomputers zal real-time analyse mogelijk maken om wetenschappers te helpen cruciale experimentbeslissingen te nemen, zei Schwarz.

Nu al, wetenschappers van Argonne hebben kunstmatige intelligentie toegepast om röntgengegevens sneller te voorspellen en te reconstrueren dan traditionele methoden. Dit soort werk, samen met het verhoogde vermogen dat beschikbaar is met Aurora, zal de ALCF helpen de toestroom van de geüpgrade APS bij te houden.

"Kunstmatige intelligentie raakt alle aspecten van de APS-operatie, van het regelen van de stabiliteit van de verbeterde opslagring tot het automatisch uitlijnen van monsters in de röntgenstraal, ' zei Schwarz.

Als de laatste drie decennia een indicatie zijn, onderzoekers zullen manieren vinden om de verbeterde APS te gebruiken om doorbraken te realiseren die we ons vandaag de dag niet eens kunnen voorstellen. In de begindagen van de APS, Streiffer merkte op, weinigen dachten dat de APS nuttig zou zijn voor het bepalen van de structuur van een eiwit.

Conventionele wijsheid hield in dat als je een eiwitkristal in de straal stopt, het zou worden verdampt voordat u bruikbare gegevens zou kunnen krijgen. In plaats daarvan, de APS is een belangrijke thuis geworden voor dit soort structurele biologie, dankzij nauwgezette experimentele methoden waarmee biologen een monster kunnen meten zonder het te vernietigen.

"De APS spreekt tot een van de aspecten van de wetenschap die het zo uitdagend maakt, maar ook zo dankbaar, ' zei Streiffer. 'Je weet nooit helemaal zeker wat je gaat ontdekken.'