En KOSMISK tilgang til videnskab i nanoskala

KOSMISK, et multifunktionelt røntgeninstrument ved Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Labs) Advanced Light Source (ALS), har gjort fremskridt i det videnskabelige samfund siden lanceringen for mindre end 2 år siden, med banebrydende bidrag på områder lige fra batterier til biomineraler.

COSMIC er den lyseste røntgenstrålelinje ved ALS, en synkrotron, der genererer intenst lys - fra infrarødt til røntgenstråler - og leverer det til snesevis af strålelinjer for at udføre en række samtidige videnskabelige eksperimenter. COSMICs navn er afledt af sammenhængende spredning og mikroskopi, som er to overordnede røntgenteknikker, den er designet til at udføre.

Dens muligheder inkluderer verdensførende blød røntgenmikroskopi-opløsning under 10 nanometer (milliarddele af en meter), ekstrem kemisk følsomhed, ultrahurtig scanningshastighed samt evnen til at måle kemiske ændringer i nanoskala i prøver i realtid, og at lette udforskningen af ​​prøver med en kombination af røntgen- og elektronmikroskopi. Bløde røntgenstråler repræsenterer et lavt interval i røntgenenergier, mens hårde røntgenstråler er højere i energi. Hver type kan adressere en anden række eksperimenter.

COSMIC sætter scenen for et langsigtet projekt for at opgradere den årtier gamle ALS. Indsatsen, kendt som ALS-opgraderingen (ALS-U), vil erstatte de fleste af de eksisterende acceleratorkomponenter med den nyeste teknologi, sikrer kapaciteter, der vil muliggøre verdensførende blød røntgenvidenskab i de kommende år. Opgraderingen vil også yderligere forbedre COSMICs evne til at fange detaljer i nanoskala i strukturen og kemien af ​​en bred vifte af prøver.

Den forventede 100-fold stigning i røntgenlysstyrke, som ALS-U vil levere, vil give en tilsvarende stigning i billedhastigheden ved COSMIC, og en mere end tredobling af billedopløsning, muliggør mikroskopi med enkelt-nanometer opløsning. Yderligere, teknologierne, der udvikles nu hos COSMIC, vil blive implementeret ved andre beamlines ved den opgraderede ALS, muliggør mikroskopi med højere røntgenenergier til mange flere eksperimenter. Instrumentet er en af ​​mange højt specialiserede ressourcer, der er tilgængelige for forskere fra hele verden gratis gennem en peer-reviewed forslagsproces.

En tidsskriftsartikel, udgivet 16. dec. 2020, i Videnskabens fremskridt , fremhæver nogle af COSMICs eksisterende muligheder og dem, der er på vej. Papiret giver eksempler på 8-nanometer opløsning opnået ved billeddannelse af magnetiske nanopartikler, den højopløselige kemiske kortlægning af et batterikatodemateriale under opvarmning, og høj opløsning billeddannelse af en frossen-hydreret gærcelle på COSMIC. (En katode er en type batterielektrode, en komponent, som strømmen løber igennem.) Disse resultater tjener som demonstrationscases, afsløre kritisk information om strukturen og den indre funktion af disse materialer og åbne døren for yderligere indsigt på tværs af mange videnskabsområder.

Endnu en tidsskriftsartikel, udgivet 19. januar, 2021), i Proceedings of the National Academy of Sciences , demonstrerede den første nogensinde brug af røntgen lineær dikroisk ptykografi, en specialiseret højopløsnings billedbehandlingsteknik tilgængelig hos COSMIC, at kortlægge orienteringerne af en krystal kendt som aragonit, der er til stede i koralskeletter ved 35 nanometer opløsning. Teknikken viser lovende for kortlægning af andre biomineralprøver i høj opløsning og i 3-D, som vil give ny indsigt i deres unikke egenskaber og hvordan man efterligner og kontrollerer dem. Nogle biomineraler har inspireret menneskeskabte materialer og nanomaterialer på grund af deres styrke, modstandsdygtighed, og andre ønskværdige egenskaber.

"Vi bruger denne brugervenlige, unik platform for materialekarakterisering for at demonstrere verdensførende rumlig opløsning, i forbindelse med operando og kryogen mikroskopi, " sagde David Shapiro, papirets hovedforfatter og ledende videnskabsmand for COSMICs mikroskopi-eksperimenter. Han leder også ALS-mikroskopiprogrammet. "Operando" beskriver evnen til at måle ændringer i prøver, efterhånden som de opstår.

"Der er intet andet instrument, der har disse egenskaber samlokaliseret til røntgenmikroskopi ved denne opløsning, " sagde Shapiro. COSMIC kan give nye ledetråde til materialers indre funktion på nanoskala, selvom de fungerer aktivt, som vil føre til en dybere forståelse og bedre design – for batterier, katalysatorer, eller biologiske materialer. At udstyre COSMIC med en sådan mangfoldighed af muligheder krævede et lige så bredt samarbejde på tværs af videnskabelige discipliner, bemærkede han.

COSMIC-bidragydere omfattede medlemmer af Berkeley Labs CAMERA-hold (Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications), som omfatter dataloger, software ingeniører, anvendte matematikere, og andre; IT-eksperter; detektor specialister; ingeniører; forskere ved Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy; ALS-forskere; og eksterne samarbejdspartnere fra National Science Foundations STROBE Science and Technology Center og Stanford University.

Adskillige avancerede teknologier udviklet af forskellige grupper blev integreret i dette ene instrument. Nøglen til demonstrationerne på COSMIC rapporteret i papiret er implementeringen af ​​røntgen-ptykografi, som er en computerstøttet billedrekonstruktionsteknik, der kan overstige opløsningen af ​​konventionelle teknikker med op til omkring 10 gange.

Med traditionelle metoder, rumlig opløsning – evnen til at skelne små træk i prøver – er begrænset af kvaliteten af ​​røntgenoptikken og deres evne til at fokusere røntgenstrålen til en lille plet. Men konventionel røntgenoptik, hvilke instrumenter bruges til at manipulere røntgenlys for at se prøver mere tydeligt, er svære at lave, ineffektiv, og har korte brændvidder.

I stedet for at stole på ufuldkommen optik, ptychografi registrerer et stort antal fysisk overlappende diffraktionsmønstre - som er billeder produceret som røntgenlysspredninger fra prøven - som hver tilbyder et lille stykke af det fulde billede. I stedet for at være begrænset af optikkvalitet, ptychografiteknikken er begrænset af lysstyrken af ​​røntgenkilden - netop den parameter, som ALS-U forventes at forbedre hundrede gange. At fange og behandle den enorme mængde data og rekonstruere det endelige billede kræver databehandlingsfaciliteter, computeralgoritmer, og specialiserede hurtige pixeldetektorer som dem, der er udviklet på Berkeley Lab.

"Røntgenptykografi er en detektoraktiveret teknik - først implementeret med hårde (højenergi) røntgenstråler ved hjælp af hybridpixeldetektorer, og så på ALS med FastCCD, vi udviklede, sagde Peter Denes, ALS-detektorprogramlederen, der arbejdede sammen med ledende ingeniør John Joseph om implementeringen hos COSMIC. "Meget af COSMIC-teknologien nød godt af Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programmet, ligesom FastCCD, som oversatte værktøjer til kosmologi til KOSMISKE observationer." Berkeley Labs LDRD-program understøtter innovative forskningsaktiviteter, der holder laboratoriet på forkant med videnskab og teknologi.

Ptychografi bruger en sekvens af spredningsmønstre, produceret som røntgenlysspredning fra en prøve. Disse spredningsmønstre analyseres af en computer, der kører højtydende algoritmer, som konverterer dem til et billede i høj opløsning.

I den 16. dec. 2020, papir, forskere fremhævede, hvordan ptykografiske billeder gjorde det muligt at se den højopløselige kemiske fordeling i mikroskopiske partikler af et lithiumjernfosfatbatteri-katodemateriale (Li _0,5 FePo ₄ ). De ptykografiske billeder viste kemiske træk på nanoskala i det indre af partiklerne, som ikke var synlige ved brug af den konventionelle form for billeddannelsesteknikken, kaldet spektromikroskopi.

I en separat demonstration af ptychografi på COSMIC, forskere bemærkede kemiske ændringer i en samling af LixFePO4 nanopartikler, når de blev udsat for opvarmning.

Ptychografi er også en kilde til COSMICs store datakrav. Strålelinjen kan producere flere terabyte data om dagen, eller nok til at fylde nogle få bærbare computere. De intensive beregninger, der kræves til COSMICs billedbehandling, kræver en dedikeret klynge af GPU'er (grafiske behandlingsenheder), som er specialiserede computerprocessorer.

ALS-opgraderingen vil yderligere øge dens databehov op til en forventet 100 terabyte om dagen, Shapiro bemærkede. Planer er allerede ved at blive diskuteret for at bruge flere ressourcer på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) for at imødekomme denne afventende stigning i data.

COSMIC er et stjerneeksempel på Berkeley Labs Superfacility Project, som er designet til at forbinde lyskilder som ALS og banebrydende instrumentering inklusive mikroskoper og teleskoper med data og højtydende computerressourcer i realtid, sagde Bjørn Enders, en data science arbejdsgange arkitekt i NERSC's Data Science Engagement Group.

"Vi elsker data- og computerudfordringer fra instrumenter som COSMIC, der går ud over faciliteternes grænser, " sagde Enders. "Vi arbejder hen imod en fremtid, hvor det vil være så nemt som et klik på en knap at bruge NERSCs ressourcer fra en beamline." Tilføjelsen af ​​den nye Perlmutter supercomputer hos NERSC, han tilføjede, "vil være en ideel partner for COSMIC i teamvidenskab."

COSMIC startede i commissioning mode i marts 2017, og åbnede for generelle videnskabelige eksperimenter for omkring 2 år siden. Siden denne gang, instrumentpersonale har lanceret operando-funktionerne, der måler aktive kemiske processer, for eksempel, og udrullede lineære og cirkulære dikroiske mikroskopi- og tomografikapaciteter, der yderligere udvider COSMICs række af billeddiagnostiske eksperimenter.

Dens sammenhængende spredningsgren er nu under test og er endnu ikke tilgængelig for eksterne brugere. Der arbejdes også på at korrelere dets røntgenmikroskopiresultater med elektronmikroskopiresultater for aktive processer, og videreudvikle dets kryogene evner, som vil tillade biologiske prøver og andre bløde materialer at blive beskyttet mod beskadigelse af den ultralyse røntgenstråle, mens de bliver afbildet. Kombinationen af ​​røntgen- og elektronmikroskopi kan give et kraftfuldt værktøj til at indsamle detaljerede kemiske og strukturelle oplysninger om prøver, som demonstreret i et eksperiment med COSMIC, som blev fremhævet i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Shapiro bemærkede, at der er planer om at introducere en ny forsøgsstation til beamline, tidsindstillet med ALS-U, for at rumme flere eksperimenter.

En hemmelighed bag COSMICs succes er, at instrumentet er designet til kompatibilitet med standard prøvehåndteringskomponenter. Shapiro sagde, at denne brugervenlige tilgang "har været virkelig vigtig for os, " og gør det lettere for forskere fra den akademiske verden og industrien at designe COSMIC-kompatible eksperimenter. "Brugere kan bare dukke op og tilslutte (prøverne). Det øger vores rækkevidde, videnskabeligt, " han sagde.

Mens COSMIC er fyldt med funktioner, det er ikke omfangsrigt, og Shapiro beskrev det som "strømlinet i størrelse og omkostninger." Han sagde, at han håber, at det vil være en model for fremtidige beamlines, både på ALS-U og på andre synkrotronanlæg.

"Jeg tror, ​​at det virkelig attraktive ved det er, at det er et meget kompakt instrument. Det er højtydende og meget stabilt, " sagde han. "Det er meget overskueligt og ikke særlig dyrt. I den forstand burde det være meget attraktivt for synkrotroner."