O COSMIC, um instrumento de raios-X multifuncional da Fonte de Luz Avançada (ALS) do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), avançou na comunidade científica desde seu lançamento, há menos de 2 anos, com contribuições inovadoras em campos que vão desde baterias a biominerais.
COSMIC é a linha de luz de raios-X mais brilhante do ALS, um síncrotron que gera luz intensa – de infravermelho a raios-X – e a entrega a dezenas de linhas de luz para realizar uma série de experimentos científicos simultâneos. O nome do COSMIC é derivado de espalhamento coerente e microscopia, que são duas técnicas abrangentes de raios-X que ele foi projetado para realizar.
Seus recursos incluem resolução de microscopia de raio X suave líder mundial abaixo de 10 nanômetros (bilionésimos de metro), extrema sensibilidade química, velocidade de varredura ultrarrápida, bem como a capacidade de medir mudanças químicas em nanoescala em amostras em tempo real e facilitar a exploração de amostras com uma combinação de raios-X e microscopia eletrônica. Os raios X suaves representam um intervalo baixo de energias de raios X, enquanto os raios X duros têm energia mais alta. Cada tipo pode abordar uma gama diferente de experimentos.
COSMIC está preparando o terreno para um projeto de longo prazo para atualizar o ALS de décadas. O esforço, conhecido como ALS Upgrade (ALS-U), substituirá a maioria dos componentes do acelerador existentes com tecnologia de ponta, garantindo recursos que permitirão a ciência de raio-X de software líder mundial nos próximos anos. A atualização também aumentará ainda mais a capacidade do COSMIC de capturar detalhes em nanoescala na estrutura e na química de uma ampla gama de amostras.
O esperado aumento de 100 vezes no brilho dos raios-X que o ALS-U vai fornecer proporcionará um aumento semelhante na velocidade de imagem no COSMIC e uma melhoria de mais de três vezes na resolução de imagem, permitindo microscopia com resolução de nanômetro único. Além disso, as tecnologias que estão sendo desenvolvidas agora no COSMIC serão implantadas em outras linhas de luz no ALS atualizado, tornando possível a microscopia com energias de raios-X mais altas para muitos mais experimentos. O instrumento é um dos muitos recursos altamente especializados disponíveis para cientistas de todo o mundo gratuitamente por meio de um processo de proposta revisado por pares.
Um artigo de jornal, publicado em 16 de dezembro de 2020, na Science Advances, destaca algumas das capacidades existentes do COSMIC e aquelas que estão a caminho. O artigo oferece exemplos de resolução de 8 nanômetros alcançada em nanopartículas magnéticas de imagem, o mapeamento químico de alta resolução de um material de cátodo de bateria durante o aquecimento e a imagem de alta resolução de uma célula de levedura hidratada congelada no COSMIC. (Um cátodo é um tipo de eletrodo de bateria, um componente através do qual flui a corrente.) Esses resultados servem como casos de demonstração, revelando informações críticas sobre a estrutura e o funcionamento interno desses materiais e abrindo a porta para novos insights em muitos campos da ciência.
Outro artigo de jornal, publicado em 19 de janeiro de 2021), em Proceedings of the National Academy of Sciences, demonstrou o primeiro uso de pticografia dicróica linear de raios-X, uma técnica de imagem especializada de alta resolução disponível no COSMIC, para mapear as orientações de um cristal conhecido como aragonita que está presente em esqueletos de coral com resolução de 35 nanômetros. A técnica se mostra promissora para mapear outras amostras biominerais em alta resolução e em 3-D, o que fornecerá novos insights sobre seus atributos exclusivos e como imitá-los e controlá-los. Alguns biominerais inspiraram materiais feitos pelo homem e nanomateriais devido à sua força, resiliência e outras propriedades desejáveis.
“Usamos esta plataforma única e amigável para caracterização de materiais para demonstrar a resolução espacial líder mundial, em conjunto com operando e microscopia criogênica”, disse David Shapiro, o autor principal do artigo e o cientista líder dos experimentos de microscopia do COSMIC. Ele também lidera o Programa de Microscopia ALS. “Operando” descreve a capacidade de medir as mudanças nas amostras à medida que ocorrem.
“Não há outro instrumento que tenha essas capacidades co-localizadas para microscopia de raios-X nesta resolução”, disse Shapiro. O COSMIC pode fornecer novas pistas para o funcionamento interno de materiais em nanoescala, mesmo quando eles funcionam ativamente, o que levará a uma compreensão mais profunda e melhores designs – para baterias, catalisadores ou materiais biológicos. Como já observei, equipar o COSMIC com tamanha diversidade de recursos exigia uma colaboração igualmente ampla entre as disciplinas científicas.
Os contribuintes do COSMIC incluíram membros da equipe CAMERA (Centro de Matemática Avançada para Aplicações de Pesquisa de Energia) do Berkeley Lab, que inclui cientistas da computação, engenheiros de software, matemáticos aplicados e outros; especialistas em tecnologia da informação; especialistas em detectores; engenheiros; cientistas do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Molecular Foundry; Cientistas ALS; e colaboradores externos do Centro de Ciência e Tecnologia STROBE da National Science Foundation e da Universidade de Stanford.
Várias tecnologias avançadas desenvolvidas por diferentes grupos foram integradas a este instrumento. A chave para as demonstrações no COSMIC relatadas no artigo é a implementação da pticografia de raios-X, que é uma técnica de reconstrução de imagem auxiliada por computador que pode exceder a resolução das técnicas convencionais em até cerca de 10 vezes.
Com os métodos tradicionais, a resolução espacial – a capacidade de distinguir características minúsculas em amostras – é limitada pela qualidade da óptica de raios-X e sua capacidade de focar o feixe de raios-X em um ponto minúsculo. Mas a ótica convencional de raios-X, que são os instrumentos usados para manipular a luz de raios-X para ver as amostras com mais clareza, são difíceis de fazer, ineficientes e têm distâncias focais curtas.
Em vez de depender de uma ótica imperfeita, a pticografia registra um grande número de padrões de difração fisicamente sobrepostos – que são imagens produzidas como dispersões de luz de raios-X da amostra – cada um oferecendo uma pequena parte da imagem completa. Em vez de ser limitada pela qualidade óptica, a técnica de pticografia é limitada pelo brilho da fonte de raios-X – precisamente o parâmetro que ALS-U deve melhorar cem vezes. Para capturar e processar a enorme quantidade de dados e reconstruir a imagem final, são necessários recursos de processamento de dados, algoritmos de computador e detectores de pixel rápidos especializados, como os desenvolvidos no Berkeley Lab.
Publicado em 07/03/2021 01h06
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