KOSMISCHE, een multifunctioneel röntgeninstrument bij de Advanced Light Source (ALS) van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), heeft vooruitgang geboekt in de wetenschappelijke gemeenschap sinds de lancering minder dan 2 jaar geleden, met baanbrekende bijdragen op gebieden variërend van batterijen tot biomineralen.

COSMIC is de helderste röntgenbundellijn bij de ALS, een synchrotron die intens licht genereert - van infrarood tot röntgenstralen - en dit afgeeft aan tientallen bundellijnen om een ​​reeks gelijktijdige wetenschappelijke experimenten uit te voeren. COSMIC's naam is afgeleid van coherente verstrooiing en microscopie, dat zijn twee overkoepelende röntgentechnieken waarvoor het is ontworpen.

De mogelijkheden omvatten een wereldleidende resolutie van zachte röntgenmicroscopie onder de 10 nanometer (miljardste van een meter), extreme chemische gevoeligheid, ultrasnelle scansnelheid en de mogelijkheid om in realtime chemische veranderingen op nanoschaal in monsters te meten, en om de exploratie van monsters te vergemakkelijken met een combinatie van röntgen- en elektronenmicroscopie. Zachte röntgenstralen vertegenwoordigen een laag bereik in röntgenstralingsenergieën, terwijl harde röntgenstralen een hogere energie hebben. Elk type kan een ander scala aan experimenten aanpakken.

COSMIC vormt de basis voor een langetermijnproject om de decennia-oude ALS te upgraden. De moeite, bekend als de ALS-upgrade (ALS-U), zal de meeste bestaande acceleratiecomponenten vervangen door state-of-the-art technologie, het waarborgen van capaciteiten die de wereldleidende zachte röntgenwetenschap de komende jaren mogelijk zullen maken. De upgrade zal ook het vermogen van COSMIC om details op nanoschaal in de structuur en chemie van een breed scala aan monsters vast te leggen, verder verbeteren.

De verwachte 100-voudige toename in röntgenhelderheid die ALS-U zal leveren, zal een vergelijkbare toename van de beeldsnelheid bieden bij COSMIC, en een meer dan drievoudige verbetering van de beeldresolutie, microscopie mogelijk maken met een resolutie van één nanometer. Verder, de technologieën die nu bij COSMIC worden ontwikkeld, zullen worden ingezet bij andere bundellijnen bij de verbeterde ALS, waardoor microscopie met hogere röntgenenergieën mogelijk is voor veel meer experimenten. Het instrument is een van de vele zeer gespecialiseerde bronnen die gratis beschikbaar zijn voor wetenschappers van over de hele wereld via een collegiaal getoetst voorstelproces.

Een tijdschriftartikel, gepubliceerd op 16 december 2020, in wetenschappelijke vooruitgang , belicht enkele van de bestaande mogelijkheden van COSMIC en de mogelijkheden die eraan komen. Het artikel biedt voorbeelden van een resolutie van 8 nanometer die is bereikt bij het afbeelden van magnetische nanodeeltjes, de chemische mapping met hoge resolutie van een batterijkathodemateriaal tijdens verwarming, en de beeldvorming met hoge resolutie van een bevroren gehydrateerde gistcel bij COSMIC. (Een kathode is een type batterij-elektrode, een component waardoor stroom vloeit.) Deze resultaten dienen als demonstratiecases, het onthullen van kritische informatie over de structuur en de innerlijke werking van deze materialen en het openen van de deur voor verdere inzichten op vele wetenschapsgebieden.

Een ander tijdschriftartikel, gepubliceerd op 19 januari 2021), in Proceedings van de National Academy of Sciences , demonstreerde het allereerste gebruik van lineaire dichroïsche ptychografie met röntgenstralen, een gespecialiseerde beeldvormingstechniek met hoge resolutie die beschikbaar is bij COSMIC, om de oriëntaties in kaart te brengen van een kristal dat bekend staat als aragoniet en dat aanwezig is in koraalskeletten met een resolutie van 35 nanometer. De techniek is veelbelovend voor het in kaart brengen van andere biomineraalmonsters met hoge resolutie en in 3D, die nieuwe inzichten zullen verschaffen in hun unieke eigenschappen en hoe ze kunnen worden nagebootst en gecontroleerd. Sommige biomineralen hebben vanwege hun sterkte, door mensen gemaakte materialen en nanomaterialen geïnspireerd, weerstand, en andere gewenste eigenschappen.

"We gebruiken deze gebruiksvriendelijke, uniek platform voor materiaalkarakterisering om toonaangevende ruimtelijke resolutie te demonstreren, in combinatie met operando en cryogene microscopie, " zei David Shapiro, de hoofdauteur van het artikel en de hoofdwetenschapper voor de microscopie-experimenten van COSMIC. Hij leidt ook het ALS Microscopie Programma. "Operando" beschrijft het vermogen om veranderingen in monsters te meten terwijl ze zich voordoen.

"Er is geen ander instrument dat deze mogelijkheden heeft voor röntgenmicroscopie met deze resolutie, " zei Shapiro. COSMIC kan nieuwe aanwijzingen geven voor de innerlijke werking van materialen op nanoschaal, zelfs als ze actief functioneren, dat zal leiden tot een dieper begrip en betere ontwerpen - voor batterijen, katalysatoren, of biologische materialen. Om COSMIC uit te rusten met zo'n diversiteit aan capaciteiten, was een even brede samenwerking tussen wetenschappelijke disciplines vereist, hij merkte.

COSMIC-bijdragers waren onder meer leden van het CAMERA-team (Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications) van Berkeley Lab, waaronder computerwetenschappers, software-ingenieurs, toegepaste wiskundigen, en anderen; deskundigen op het gebied van informatietechnologie; detector specialisten; ingenieurs; wetenschappers van het Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy; ALS-wetenschappers; en externe medewerkers van het STROBE Science and Technology Center van de National Science Foundation en de Stanford University.

Verschillende geavanceerde technologieën ontwikkeld door verschillende groepen werden geïntegreerd in dit ene instrument. De sleutel tot de demonstraties bij COSMIC die in de krant worden vermeld, is de implementatie van röntgenptychografie, dat is een computerondersteunde beeldreconstructietechniek die de resolutie van conventionele technieken tot ongeveer 10 keer kan overschrijden.

Met traditionele methoden, ruimtelijke resolutie - het vermogen om minuscule kenmerken in monsters te onderscheiden - wordt beperkt door de kwaliteit van de röntgenoptica en hun vermogen om de röntgenstraal op een klein plekje te focussen. Maar conventionele röntgenoptica, welke instrumenten worden gebruikt om röntgenlicht te manipuleren om monsters duidelijker te zien, zijn moeilijk te maken, inefficiënt, en hebben korte brandpuntsafstanden.

In plaats van te vertrouwen op onvolmaakte optica, ptychografie registreert een groot aantal fysiek overlappende diffractiepatronen - dit zijn afbeeldingen die worden geproduceerd als röntgenlichtverstrooiing van het monster - die elk een klein stukje van het volledige beeld bieden. In plaats van beperkt te worden door optische kwaliteit, de ptychografietechniek wordt beperkt door de helderheid van de röntgenbron - precies de parameter die ALS-U naar verwachting honderdvoudig zal verbeteren. Om de enorme hoeveelheid gegevens vast te leggen en te verwerken en het uiteindelijke beeld te reconstrueren, zijn gegevensverwerkingsfaciliteiten nodig, computeralgoritmen, en gespecialiseerde snelle pixeldetectoren zoals die ontwikkeld zijn bij Berkeley Lab.

"Röntgenptiekografie is een techniek waarbij detectoren mogelijk zijn, die voor het eerst worden ingezet met harde (hoge-energetische) röntgenstralen met behulp van hybride pixeldetectoren, en toen bij de ALS met de FastCCD die we ontwikkelden, " zei Peter Denes, de ALS-detectorprogrammaleider die samen met hoofdingenieur John Joseph werkte aan de implementatie bij COSMIC. "Veel van de COSMIC-technologie profiteerde van het Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programma, net als de FastCCD, die hulpmiddelen voor kosmologie vertaalde in KOSMISCHE waarnemingen." Het LDRD-programma van Berkeley Lab ondersteunt innovatieve onderzoeksactiviteiten die het Lab in de voorhoede van wetenschap en technologie houden.

Ptychografie maakt gebruik van een reeks verstrooiingspatronen, geproduceerd als röntgenlichtverstrooiing van een monster. Deze verstrooiingspatronen worden geanalyseerd door een computer met krachtige algoritmen, die ze omzetten in een afbeelding met een hoge resolutie.

In de december 16, 2020, papier, onderzoekers benadrukten hoe ptychografische afbeeldingen het mogelijk maakten om de chemische distributie met hoge resolutie te zien in microscopische deeltjes van een kathodemateriaal van een lithiumijzerfosfaatbatterij (Li _0,5 FePo ₄ ). De ptychografische afbeeldingen vertoonden chemische kenmerken op nanoschaal in het binnenste van de deeltjes die niet zichtbaar waren met de conventionele vorm van de beeldvormingstechniek, spectromicroscopie genoemd.

In een aparte demonstratie van ptychografie bij COSMIC, onderzoekers merkten chemische veranderingen op in een verzameling LixFePO4-nanodeeltjes bij verhitting.

Ptychografie is ook een bron van COSMIC's zware data-eisen. De bundellijn kan meerdere terabytes aan data per dag produceren, of genoeg om een ​​paar laptops te vullen. De intensieve berekeningen die nodig zijn voor de beeldvorming van COSMIC vereisen een speciaal cluster van GPU's (grafische verwerkingseenheden), dat zijn gespecialiseerde computerprocessors.

De ALS-upgrade zal de databehoefte verder opdrijven tot naar verwachting 100 terabyte per dag, merkte Shapiro op. Er worden al plannen besproken om meer middelen te gebruiken bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab om tegemoet te komen aan deze aanstaande toename van gegevens.

COSMIC is een geweldig voorbeeld van het Superfacility Project van Berkeley Lab, die is ontworpen om lichtbronnen zoals de ALS en geavanceerde instrumentatie, waaronder microscopen en telescopen, in realtime te koppelen aan gegevens en krachtige computerbronnen, zei Bjoern Enders, een data science workflow architect in NERSC's Data Science Engagement Group.

"We houden van data- en computeruitdagingen van instrumenten zoals COSMIC die zich buiten de faciliteitsgrenzen wagen, "Zei Enders. "We werken aan een toekomst waarin het net zo eenvoudig is als een klik op een knop om de bronnen van NERSC te gebruiken vanuit een bundellijn." De toevoeging van de nieuwe Perlmutter-supercomputer bij NERSC, hij voegde toe, "zal een ideale partner zijn voor COSMIC in team science."

COSMIC is in maart 2017 opgestart in de inbedrijfstellingsmodus, en ongeveer 2 jaar geleden opengesteld voor algemene wetenschappelijke experimenten. Sinds deze tijd, instrumentpersoneel heeft de operandomogelijkheden gelanceerd die actieve chemische processen meten, bijvoorbeeld, en de uitrol van lineaire en circulaire dichroïsche microscopie en tomografiemogelijkheden die het scala aan beeldvormende experimenten van COSMIC verder uitbreiden.

De coherente verstrooiingstak wordt nu getest en is nog niet beschikbaar voor externe gebruikers. Er wordt ook gewerkt om de resultaten van de röntgenmicroscopie te correleren met de resultaten van de elektronenmicroscopie voor actieve processen, en om zijn cryogene capaciteiten verder te ontwikkelen, waardoor biologische monsters en andere zachte materialen worden beschermd tegen beschadiging door de ultraheldere röntgenstraal terwijl ze worden afgebeeld. De combinatie van röntgen- en elektronenmicroscopie kan een krachtig hulpmiddel zijn voor het verzamelen van gedetailleerde chemische en structurele informatie over monsters, zoals aangetoond in een experiment met COSMIC dat werd benadrukt in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Shapiro merkte op dat er plannen zijn om een ​​nieuw experimenteel station in de bundellijn te introduceren, getimed met ALS-U, om meer experimenten mogelijk te maken.

Een geheim van het succes van COSMIC is dat het instrument is ontworpen voor compatibiliteit met standaard componenten voor monsterbehandeling. Shapiro zei dat deze gebruiksvriendelijke aanpak "heel belangrijk voor ons is geweest, " en maakt het voor onderzoekers uit de academische wereld en de industrie gemakkelijker om COSMIC-compatibele experimenten te ontwerpen. "Gebruikers kunnen gewoon komen opdagen en (de monsters) aansluiten. Het vergroot ons bereik, wetenschappelijk, " hij zei.

Terwijl COSMIC boordevol functies zit, het is niet omvangrijk, en Shapiro beschreef het als "gestroomlijnd in omvang en kosten." Hij zei dat hij hoopt dat het een model zal zijn voor toekomstige bundellijnen, zowel bij ALS-U als bij andere synchrotron-faciliteiten.

"Ik denk dat wat er echt aantrekkelijk aan is, is dat het een zeer compact instrument is. Het is krachtig en zeer stabiel, " zei hij. "Het is zeer beheersbaar en niet erg duur. In die zin moet het heel aantrekkelijk zijn voor synchrotrons."