July 21, 2020 — Nei quasi 25 anni da quando l’Advanced Photon Source (APS), un Dipartimento americano dell’Energia (DOE) Office of Science User Facility, aperto per la prima volta presso il Laboratorio nazionale Argonne del DOE, ha svolto un ruolo essenziale in alcune delle scoperte e dei progressi più importanti nella scienza.
Più di 5.000 ricercatori di tutto il mondo conducono esperimenti presso l’APS ogni anno, e il loro lavoro ha, tra molti altri notevoli successi, aperto la strada a migliori batterie rinnovabili; ha portato allo sviluppo di numerosi nuovi farmaci; e ha contribuito a rendere i veicoli più efficienti, i materiali delle infrastrutture più forti e l’elettronica più potente.
La ricerca condotta presso l’APS ha anche portato direttamente a due premi Nobel e ha contribuito a un terzo. Più di recente, l’APS sta dando contributi significativi nella lotta contro COVID-19. Le sue linee di luce sono coinvolte nella ricerca per identificare le strutture proteiche del virus e trovare potenziali trattamenti farmaceutici e / o vaccini. Tale lavoro chiarisce l’importanza costante delle sorgenti luminose a raggi X, come l’APS, nella risoluzione di problemi critici per il nostro mondo.
“L’aggiornamento APS ci permetterà di condurre nuovi esperimenti che possiamo a malapena immaginare in questo momento. Sarà trasformazionale”, ha dichiarato Jonathan Lang, direttore della APS X-ray Science Division (XSD).
Eppure, mentre l’APS è ancora una delle strutture di ricerca preminenti del suo genere, l’anello di stoccaggio di elettroni che è al suo cuore è stato progettato a partire dalla fine degli anni 1980 e, come innovativo come era al momento, ora si basa su una tecnologia datata.
” Dopo 25 anni, la sfida è come continuare a rendere l’APS un luogo interessante e utile per i ricercatori?”ha chiesto Jim Kerby, Chief Project officer per l’aggiornamento APS (APS-U), che è venuto a Argonne per aiutare a rispondere a questa domanda. “Come creiamo una struttura che continua a fornire opportunità di lavoro che non possono essere fatte da nessun’altra parte?”
Mentre l’APS si prepara a sottoporsi a un aggiornamento di million 815 milioni che, già alla fine del 2023, consentirà alla scienza una scala completamente nuova e senza precedenti, il team APS di Argonne e le migliaia di ricercatori che supporta guardano con entusiasmo al futuro-anche se nessuno può conoscere completamente l’intera gamma di opportunità scientifiche che attendono.
“L’aggiornamento APS ci permetterà di condurre nuovi esperimenti che possiamo a malapena immaginare in questo momento. Sarà trasformazionale”, ha dichiarato Jonathan Lang, direttore della APS X-ray Science Division (XSD).
“Da Usain Bolt a un F-15”
L’APS funziona come un gigantesco microscopio a raggi X. Produce raggi X estremamente luminosi che possono scrutare attraverso materiali densi e illuminare la struttura e la chimica della materia a livello molecolare e atomico. Come parte dell’aggiornamento, l’anello di stoccaggio circolare esistente di 1,1 chilometri sarà sostituito e le linee di raggi X e altre apparecchiature saranno aggiornate, creando una struttura a raggi X molto più potente e una produzione di raggi X più luminosa.
La luminosità dei raggi X sarà fino a 500 volte maggiore rispetto alla macchina attuale, ha detto Kerby, e migliorerà significativamente le prestazioni.
“È difficile per chiunque immaginare davvero”, ha detto Kerby. “È come passare da Usain Bolt, un velocista di atletica leggera da record mondiale noto per essere uno degli uomini più veloci della Terra, a un aereo da caccia F-15. Entrambi sono veloci, ma si tratta di due tipi molto diversi di velocità. Esperimenti che prima erano impossibili da eseguire in un tempo realistico saranno ora condotti in minuti o ore.”
Un altro importante miglioramento riguarda la coerenza del fascio, che si riferisce a quanto è ordinata la luce dei raggi X. Lang ha detto che passerà da qualcosa come un riflettore che produce un ampio lavaggio di luce a qualcosa di molto più simile a un laser.
Secondo Stephen Streiffer, vice direttore del laboratorio per la scienza e la tecnologia, direttore del laboratorio associato ad interim per le scienze dei fotoni e direttore dell’APS, la coerenza è particolarmente importante: “I raggi X ad alta energia che sono ultra-luminosi con una coerenza molto elevata ci permetteranno esperimenti in ambienti reali, non solo ambienti modello.”
Streiffer ha detto che era essenziale che la nuova sorgente di raggi X consente misurazioni su più scale fisiche e temporali. “Pensate di esplorare l’elettrochimica in una batteria. Si va da un nanosecondo con atomi che si diffondono in un ambiente locale fino a cambiamenti macroscopici nella batteria per giorni, settimane o addirittura anni. Con l’aumento della luminosità saremo in grado di guardare l’intera immagine.”
Lang indicò un altro angolo. “Attualmente, si può vedere solo una piccola parte di un materiale, e ci vuole molto tempo. Con l’aggiornamento otterremo sia l’alta risoluzione che un ampio campo visivo. Ad esempio, per comprendere le proprietà meccaniche nei materiali policristallini, si desidera vedere come gli elementi sono distribuiti intorno ai confini di grano tra i cristalli, ma si desidera anche vedere come si confronta un gran numero di confini di grano. Ciò consentirà ai ricercatori di esaminare molte più cellule, in modi che potrebbero in ultima analisi migliorare notevolmente i materiali strutturali utilizzati nelle industrie automobilistiche e aerospaziali.”
Con la maggiore luminosità, Lang ha detto, arriverà anche un carico di dati immenso. “Ma abbiamo un calcolo ad alte prestazioni nel campus, quindi è una grande sinergia. Possono scricchiolare i numeri per gestire i dati. È una fonte e una risorsa uniche molto vicine.”E con il nuovo supercomputer Aurora che debutterà nel 2021, ci saranno ancora più opportunità per sfruttare le risorse senza precedenti di Argonne.
Bob Hettel, il direttore del progetto APS-U, è stato coinvolto nella progettazione dell’attuale APS mentre era allo SLAC National Accelerator Laboratory. Ha detto che è un momento molto eccitante per la tecnologia a raggi X, in particolare con i progressi nella progettazione dell’anello di archiviazione, e APS ha “escogitato un approccio aggressivo che migliora e migliora ciò che gli altri hanno fatto negli ultimi due decenni.”
Per Hettel, la sfida più grande è che non c’è un solo ostacolo tecnico, ma piuttosto è l’integrazione di così tanti componenti diversi. “Ci sono un milione di parti in movimento. Ma ci stiamo impegnando con la comunità degli utenti e abbiamo le migliori persone tecniche in assoluto al mondo in più aree che si sono riunite per far funzionare il tutto.”
Kerby ha detto che il primo AP sarebbe stato chiuso è giugno 2022 — ma non fino a quando tutti i pezzi della nuova macchina sono stati estratti e sono pronti per essere assemblati al posto della vecchia macchina — con l’AP aggiornato che torna online circa un anno dopo. A quel punto, ha detto, gli utenti dovranno ricalibrare completamente il modo in cui pensano a quali esperimenti scientifici sono possibili.
Per leggere la storia completa, visitahttps://www.anl.gov/article/advanced-photon-source-upgrade-will-transform-the-world-of-scientific-research
Informazioni sulla sorgente di fotoni avanzata
Il Dipartimento dell’Energia dell’Ufficio delle Scienze dell’Argonne National Laboratory è una delle strutture di sorgenti luminose a raggi X più produttive al mondo. L’APS fornisce fasci di raggi X ad alta luminosità a una comunità diversificata di ricercatori nella scienza dei materiali, chimica, fisica della materia condensata, scienze della vita e dell’ambiente e ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per esplorazioni di materiali e strutture biologiche; distribuzione elementare; stati chimici, magnetici, elettronici; e una vasta gamma di sistemi di ingegneria tecnologicamente importanti dalle batterie agli spruzzatori di carburante, che sono tutti i fondamenti del benessere economico, tecnologico e fisico della nostra nazione. Ogni anno, più di 5.000 ricercatori utilizzano l’APS per produrre oltre 2.000 pubblicazioni che dettagliano scoperte di grande impatto e risolvono strutture proteiche biologiche più vitali rispetto agli utenti di qualsiasi altra struttura di ricerca di sorgenti luminose a raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri APS innovano la tecnologia che è al centro dell’avanzamento delle operazioni con acceleratori e sorgenti luminose. Ciò include i dispositivi di inserimento che producono raggi X a luminosità estrema apprezzati dai ricercatori, lenti che focalizzano i raggi X fino a pochi nanometri, strumentazione che massimizza il modo in cui i raggi X interagiscono con i campioni in fase di studio e software che raccoglie e gestisce l’enorme quantità di dati derivanti dalla ricerca discovery presso l’APS.
Questa ricerca ha utilizzato le risorse della sorgente avanzata di fotoni, un U. S. DOE Office of Science User Facility gestito per l’Ufficio DOE della Scienza da Argonne National Laboratory sotto contratto No. DE-AC02-06CH11357.
Informazioni su Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. Il primo laboratorio nazionale della nazione, Argonne conduce ricerche scientifiche di base e applicate all’avanguardia praticamente in ogni disciplina scientifica. I ricercatori di Argonne lavorano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere i loro problemi specifici, far avanzare la leadership scientifica americana e preparare la nazione per un futuro migliore. Con dipendenti provenienti da più di 60 nazioni, Argonne è gestito da UChicago Argonne, LLC per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Informazioni sull’Ufficio scientifico del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Gli Stati Uniti L’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare https://energy.gov/science.
Fonte: Brett Hansard, Argonne National Laboratory