Bringer opdagelser frem i lyset:røntgenvidenskab i Argonne

I mere end 25 år, den avancerede fotonkildes intense røntgenstråler har muliggjort vigtige gennembrud. Med en massiv opgradering på vej, videnskabsmænd vil være i stand til at se ting i skala, som aldrig er set før.

Ethvert videnskabeligt gennembrud begynder med en observation. For omkring 125 år siden, vores evne til at observere blev meget udvidet med opdagelsen af ​​det usynlige lys kendt som røntgenstråler. Mange af os kender dem som en medicinsk scanningsteknik, men de kraftigste røntgenstråler giver os muligheden for at kigge ind i selv de tætteste materialer og se atomerne indeni.

Ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, usædvanligt kraftige røntgenstråler hjælper verdens førende videnskabsmænd med at løse komplekse problemer relateret til rene energiteknologier, klimaforskning, medicin og mange andre områder.

Argonnes avancerede fotonkilde (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, producerede sit første røntgenlys i 1995. Siden da APS har muliggjort opdagelser i næsten alle videnskabelige forskningsdiscipliner, herunder undersøgelser, der vandt 2009 og 2012 Nobelprisen i kemi.

Et kraftfuldt værktøj, der spænder over det videnskabelige spektrum

APS er en verdensførende kilde til højenergi røntgenstråler kendt som hårde røntgenstråler. Disse intenst lyse stråler er nøglen til at afbilde stoffets egenskaber, så vi kan forstå dem, forbedre dem og genopfinde dem. På en given dag i APS, en røntgenstråle kan være fokuseret på de proteiner, der udgør et patogen såsom coronavirus, krystaller af lithium stensalt til hurtigopladning af batterier, mikroberne, der er til stede i jorden eller endda en fnug af bestrålet nukleart brændsel.

Allerede en af ​​de mest teknologisk komplekse maskiner i verden, APS er midt i en revolutionerende opgradering. Når opgraderingen er fuldført, anlægget vil være i stand til at generere røntgenstråler op til 500 gange lysere end hvad der er muligt i dag. Det vil gøre det muligt for videnskabsmænd at observere en række fænomener i meget finere detaljer og ofte inden for tidsrammer målt i milliardtedele af sekunder.

"Hvis du vil forstå materialer på atomniveau - se hvordan atomerne er arrangeret, hvordan de bevæger sig, og hvordan de ændrer sig - de røntgenstråler, vi producerer her, er nøgleværktøjer til at få det til at ske, " sagde Jonathan Lang, direktør for Argonnes røntgenvidenskabsafdeling.

APS genererer røntgenstråler gennem en ringformet partikelaccelerator. Subatomære partikler kaldet elektroner glider rundt i ringen, styret af magneter. Når elektronerne vrikker gennem specielle magnetiske arrays kaldet undulatorer, de afgiver fotoner, som er partikler af lys. Fotonerne ledes derefter ind i en af ​​mange APS-strålelinjer, der er tilgængelige for forskere, hver brugt til et specifikt videnskabeligt formål.

Arbejdet i ApS, som årligt er vært for cirka 5, 500 akademiske, laboratorie- og industriforskere fra hele verden, tjener en række videnskabelige mål. Det hjælper forskere med at forstå de processer, der understøtter batterier og atomkraft, for eksempel. Indsigt fra APS informerer også designet af mere effektive jetmotorer og teknikker til fremstilling af brint fra vand, baner vejen for rent brintbrændstof til biler og elektricitet. Alle disse hjælper nationen med at bevæge sig mod en kulstoffri fremtid for at afbøde klimaændringer.

For nylig, APS har været medvirkende til forskning i SARS-CoV-2, virus, der forårsager COVID-19, ved at belyse strukturen af ​​dets proteiner. Proteiner fra virussen er blevet brugt som grundlag for vacciner, der stimulerer et immunrespons i kroppen. Dette er det seneste i en række af biomedicinske gennembrud hjulpet af APS, herunder et lovende lægemiddel til behandling af ebola og nye veje til at bekæmpe kræft med kemoterapi.

"APS er fantastisk til at bidrage med brede sæt viden til en masse forskellige discipliner, " sagde Lang. Et eksempel, han pegede på, er udviklingen af ​​mindre elektroniske enheder, der behøver mindre strøm for at fungere, en indsats, der bygger på materialeundersøgelser foretaget på APS. "Al den viden, vi får her om, hvordan man sætter tingene sammen, og hvordan man arrangerer atomerne, bidrager til grundlaget for alt fra avancerede batterier til behandlinger for kræft."

En ny 'state of the art'

ApS, som er finansieret gennem DOE's Office of Science Basic Energy Sciences-program, var state of the art, da den kom online i 1990'erne. Sådan en facilitet skal bygges ikke kun for øjeblikket, men i de kommende årtier.

"Det originale design af APS blev lavet med tilstrækkelig omtanke til, at det først er nu, næsten 30 år ud i fremtiden, at vi fuldt ud udnytter alle mulighederne i den nuværende facilitet, " sagde Stephen Streiffer, Argonnes vicelaboratoriedirektør for videnskab og teknologi og direktør for APS.

Den planlagte opgradering vil involvere fuldstændig udskiftning af elektronlagerringen med en ny, mere kraftfuld model. Dette vil resultere i finere opløsning for forskere som Mary Upton, en fysiker ved Argonne, der arbejder med besøgende videnskabsmænd på eksperimenter ved 27-ID beamline. Forskere ved denne strålelinje er ofte fokuseret på magnetiske materialer, der er byggestenene i computerhukommelsen.

"Vi går en spændende tid ind i APS, " sagde Upton. "Hvad der allerede var et utroligt præcist instrument ved 27-ID beamline, vil blive endnu mere kraftfuldt med opgraderingen. Den resulterende indsigt vil udvide mulighederne for alle vores elektroniske enheder."

Men dette er kun begyndelsen på historien. Andre strålelinjer, der tilbyder brugere teknikker baseret på røntgenbilleder, vil se forbedringer, der svarer til forbedringen i lysstyrken af ​​røntgenstrålerne, giver dem mulighed for at scanne mængder op til 500 gange større end det i øjeblikket er muligt.

"Dette er forskellen mellem, for eksempel, at kunne undersøge anatomien af ​​et lille stykke af en musehjerne, kontra at kunne undersøge det hele. Først da kan du virkelig forstå, hvad du ser på, ", forklarede Streiffer.

Den nye røntgenkilde vil muliggøre hurtigere og bredere målinger. Tag elektrokemi i et batteri, for eksempel. Elektroner bevæger sig hurtigt fra den ene ende til den anden, når batterier oplades og aflades. Men over dage, uger eller år, andre ændringer i batteriets kemi opstår, mens det bruges. Den øgede lysstyrke vil gøre det muligt at se dette større billede.

"Opgraderingen af ​​APS'en vil muliggøre videnskab i skalaer, vi ikke engang kan drømme om lige nu, " sagde Dennis Mills, stedfortrædende associeret laboratoriedirektør for fotonvidenskab i Argonne. "Den øgede lysstyrke, samt evnen til at fokusere de lyse stråler ned til utroligt små størrelser, vil åbne nye opdagelsesveje, der vil føre til vigtige innovationer på en række områder."

De lysere stråler vil også i høj grad fremskynde forskningen, gør tidligere uigennemførlige eksperimenter mulige at udføre inden for minutter eller timer. "Hvis det tager dig en time at indsamle data, i modsætning til en hel måned, det gør bare en verden til forskel, " sagde Lang. "Det er, hvad opgraderingen vil give os mulighed for."

Lysere lys, flere data

Den hastighed, hvormed lyskilder er blevet bedre i løbet af de sidste årtier, har overgået den hastighed, hvormed computere er blevet hurtigere, bemærkede Streiffer. Det er derfor, Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en anden DOE Office of Science brugerfacilitet, er et nøgleaktiv.

"Lyskilder udgør en stor dataudfordring, " sagde Streiffer. "At have vores ekspertise og derefter ALCF's beregningskraft er en vigtig succesfaktor for at kunne bruge den opgraderede APS og producere videnskab."

Lige nu, APS indsamler cirka 5 petabyte rådata om året - 1 petabyte er en million gigabyte. Med opgraderingen, det tal vil gå op til hundredvis af petabyte om året. Den kommende Aurora supercomputer, som ankommer i 2022, vil supplere stigningen i data.

"Aurora og andre ALCF-systemer vil være afgørende for behandling og forståelse af data genereret i APS-opgraderingsæraen, " sagde Nicholas Schwarz, ledende datamatiker ved Argonne.

ALCF og APS vil blive forbundet via et højhastighedsnetværk for at tillade udveksling af massive datasæt. Denne kobling af APS-instrumenter og ALCF-supercomputere vil muliggøre realtidsanalyse for at hjælpe videnskabsmænd med at træffe afgørende eksperimentbeslutninger, sagde Schwarz.

Allerede, forskere ved Argonne har anvendt kunstig intelligens til at forudsige og rekonstruere røntgendata hurtigere end traditionelle metoder. Denne type arbejde, sammen med den øgede kraft, der er tilgængelig med Aurora, vil hjælpe ALCF med at holde trit med tilstrømningen fra den opgraderede APS.

"Kunstig intelligens vil berøre alle aspekter af APS-drift, fra at kontrollere stabiliteten af ​​den opgraderede lagerring til automatisk at justere prøver i røntgenstrålen, " sagde Schwarz.

Hvis de sidste tre årtier er nogen indikation, forskere vil finde måder at bruge den opgraderede APS til at opnå gennembrud, vi ikke engang kan forestille os i dag. I Aps' tidlige dage, Streiffer bemærkede, få troede, at APS ville være nyttig til at bestemme strukturen af ​​et protein.

Konventionel visdom mente, at hvis du sætter en proteinkrystal ind i strålen, det ville blive fordampet, før du kunne få brugbare data. I stedet, APS er blevet et stort hjem for denne type strukturel biologi, takket være omhyggelige eksperimentelle metoder, der gør det muligt for biologer at måle en prøve uden at ødelægge den.

"APS taler til et af de aspekter af videnskaben, der gør det så udfordrende, men også så givende, " sagde Streiffer. "Du er aldrig helt sikker på, hvad du vil opdage."