L’instrument atteint la résolution de pointe des nanomatériaux au monde – Technoguide

COSMIC, un instrument à rayons X polyvalent de la source de lumière avancée (ALS) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a fait des progrès dans la communauté scientifique depuis son lancement il y a moins de 2 ans, avec des contributions révolutionnaires dans des domaines allant des batteries aux biomineraux. .

COSMIC est la ligne de rayons X la plus brillante de l’ALS, un synchrotron qui génère une lumière intense – de l’infrarouge aux rayons X – et la transmet à des dizaines de lignes de lumière pour effectuer une gamme d’expériences scientifiques simultanées. Le nom de COSMIC est dérivé de la diffusion cohérente et de la microscopie, qui sont deux techniques de rayons X globales pour lesquelles il est conçu.

Ses capacités incluent une résolution de microscopie à rayons X mous de classe mondiale inférieure à 10 nanomètres (milliardièmes de mètre), une sensibilité chimique extrême, une vitesse de balayage ultrarapide ainsi que la capacité de mesurer les changements chimiques à l’échelle nanométrique dans des échantillons en temps réel et de faciliter l’exploration. d’échantillons avec une combinaison de microscopie à rayons X et électronique. Les rayons X mous représentent une gamme basse des énergies des rayons X, tandis que les rayons X durs ont une énergie plus élevée. Chaque type peut aborder une gamme différente d’expériences.

COSMIC prépare le terrain pour un projet à long terme visant à améliorer la SLA vieille de plusieurs décennies. L’effort, connu sous le nom de mise à niveau ALS (ALS-U), remplacera la plupart des composants d’accélérateur existants par une technologie de pointe, garantissant des capacités qui permettront la science des rayons X mous de pointe dans les années à venir. La mise à niveau améliorera également la capacité de COSMIC à capturer des détails à l’échelle nanométrique dans la structure et la chimie d’une large gamme d’échantillons.

L’augmentation prévue de 100 fois de la luminosité des rayons X qu’ALS-U fournira fournira une augmentation similaire de la vitesse d’imagerie à COSMIC et une amélioration de plus de trois fois de la résolution d’imagerie, permettant la microscopie avec une résolution d’un nanomètre. En outre, les technologies actuellement développées à COSMIC seront déployées sur d’autres lignes de lumière de l’ALS améliorée, rendant possible la microscopie avec des énergies de rayons X plus élevées pour de nombreuses autres expériences. L’instrument est l’une des nombreuses ressources hautement spécialisées disponibles gratuitement pour les scientifiques du monde entier grâce à un processus de proposition évalué par des pairs.

Un article de revue, publié le 16 décembre 2020 dans Science Advances, met en évidence certaines des capacités existantes de COSMIC et celles qui sont en cours. L’article offre des exemples de résolution de 8 nanomètres obtenue en imagerie de nanoparticules magnétiques, la cartographie chimique haute résolution d’un matériau de cathode de batterie pendant le chauffage et l’imagerie haute résolution d’une cellule de levure hydratée congelée à COSMIC. (Une cathode est un type d’électrode de batterie, un composant à travers lequel le courant circule.) Ces résultats servent de cas de démonstration, révélant des informations critiques sur la structure et le fonctionnement interne de ces matériaux et ouvrant la porte à de plus amples informations dans de nombreux domaines scientifiques.

Un autre article de revue, publié le 19 janvier 2021), dans Proceedings of the National Academy of Sciences, a démontré la toute première utilisation de la ptychographie dichroïque linéaire aux rayons X, une technique d’imagerie haute résolution spécialisée disponible au COSMIC, pour cartographier les orientations. d’un cristal connu sous le nom d’aragonite qui est présent dans les squelettes de corail à une résolution de 35 nanomètres. La technique est prometteuse pour la cartographie d’autres échantillons de biomineraux à haute résolution et en 3D, ce qui fournira de nouvelles informations sur leurs attributs uniques et sur la façon de les imiter et de les contrôler. Certains biomatériaux ont inspiré des matériaux et des nanomatériaux fabriqués par l’homme en raison de leur résistance, de leur résilience et d’autres propriétés souhaitables.

«Nous utilisons cette plate-forme unique et conviviale pour la caractérisation des matériaux afin de démontrer une résolution spatiale de pointe, en conjonction avec l’opérando et la microscopie cryogénique», a déclaré David Shapiro, auteur principal de l’article et scientifique principal des expériences de microscopie de COSMIC. Il dirige également le programme de microscopie de la SLA. “Operando” décrit la capacité de mesurer les changements dans les échantillons au fur et à mesure qu’ils se produisent.

“Il n’y a aucun autre instrument qui a ces capacités colocalisées pour la microscopie à rayons X à cette résolution”, a déclaré Shapiro. COSMIC peut fournir de nouveaux indices sur le fonctionnement interne des matériaux à l’échelle nanométrique, même s’ils fonctionnent activement, ce qui conduira à une compréhension plus profonde et à de meilleures conceptions – pour les batteries, les catalyseurs ou les matériaux biologiques. Équiper COSMIC d’une telle diversité de capacités exigeait une collaboration tout aussi large entre les disciplines scientifiques, a-t-il noté.

Les contributeurs de COSMIC comprenaient des membres de l’équipe CAMERA (Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications) de Berkeley Lab, qui comprend des informaticiens, des ingénieurs en logiciel, des mathématiciens appliqués et d’autres; experts en technologie de l’information; spécialistes des détecteurs; ingénieurs; des scientifiques du Centre national de microscopie électronique de Molecular Foundry; Scientifiques de la SLA; et des collaborateurs extérieurs du STROBE Science and Technology Center de la National Science Foundation et de l’Université de Stanford.

Plusieurs technologies avancées développées par différents groupes ont été intégrées dans cet instrument unique. La clé des démonstrations à COSMIC rapportées dans l’article est la mise en œuvre de la ptychographie aux rayons X, qui est une technique de reconstruction d’image assistée par ordinateur qui peut dépasser la résolution des techniques conventionnelles jusqu’à environ 10 fois.

Avec les méthodes traditionnelles, la résolution spatiale – la capacité de distinguer de minuscules caractéristiques dans les échantillons – est limitée par la qualité de l’optique à rayons X et leur capacité à focaliser le faisceau de rayons X dans un minuscule point. Mais les optiques à rayons X conventionnelles, qui sont les instruments utilisés pour manipuler la lumière des rayons X pour voir les échantillons plus clairement, sont difficiles à fabriquer, inefficaces et ont des distances focales courtes.

Au lieu de s’appuyer sur une optique imparfaite, la ptychographie enregistre un grand nombre de motifs de diffraction qui se chevauchent physiquement – qui sont des images produites sous forme de rayons X diffusés à partir de l’échantillon – chacun offrant une petite partie de l’image complète. Plutôt que d’être limitée par la qualité optique, la technique de ptychographie est limitée par la luminosité de la source de rayons X – précisément le paramètre que ALS-U devrait améliorer au centuple. Pour capturer et traiter l’énorme quantité de données et reconstruire l’image finale, il faut des installations de traitement de données, des algorithmes informatiques et des détecteurs de pixels rapides spécialisés comme ceux développés au Berkeley Lab.

«La ptychographie aux rayons X est une technique utilisant des détecteurs – d’abord déployée avec des rayons X durs (à haute énergie) à l’aide de détecteurs de pixels hybrides, puis à l’ALS avec le FastCCD que nous avons développé», a déclaré Peter Denes, le programme de détection ALS responsable qui a travaillé avec l’ingénieur en chef John Joseph sur la mise en œuvre chez COSMIC. “Une grande partie de la technologie COSMIC a bénéficié du programme de recherche et développement dirigés en laboratoire (LDRD), tout comme le FastCCD, qui a traduit les outils de cosmologie en observations COSMIC.” Le programme LDRD de Berkeley Lab soutient des activités de recherche innovantes qui maintiennent le laboratoire à la pointe de la science et de la technologie.

La ptychographie utilise une séquence de modèles de diffusion, produits sous forme de rayons X diffusés à partir d’un échantillon. Ces modèles de diffusion sont analysés par un ordinateur exécutant des algorithmes de haute performance, qui les convertissent en une image haute résolution.

Dans l’article du 16 décembre 2020, les chercheurs ont souligné comment les images ptychographiques permettaient de voir la distribution chimique à haute résolution dans les particules microscopiques d’un matériau de cathode de batterie au lithium fer phosphate (Li0.5FePo4). Les images ptychographiques ont montré des caractéristiques chimiques à l’échelle nanométrique à l’intérieur des particules qui n’étaient pas visibles en utilisant la forme conventionnelle de la technique d’imagerie, appelée spectromicroscopie.

Dans une démonstration distincte de ptychographie au COSMIC, les chercheurs ont noté des changements chimiques dans une collection de nanoparticules LixFePO4 lorsqu’elles sont soumises à un chauffage.

La ptychographie est également une source de fortes demandes de données de COSMIC. La ligne de lumière peut produire plusieurs téraoctets de données par jour, ou suffisamment pour remplir quelques ordinateurs portables. Les calculs intensifs nécessaires à l’imagerie de COSMIC nécessitent un cluster dédié de GPU (unités de traitement graphique), qui sont des processeurs informatiques spécialisés.

La mise à niveau ALS augmentera davantage ses demandes de données jusqu’à 100 téraoctets par jour, a noté Shapiro. Des plans sont déjà en cours de discussion pour utiliser plus de ressources au Centre national de calcul scientifique de recherche énergétique (NERSC) du Berkeley Lab pour accueillir cette montée en puissance des données en attente.

COSMIC est un exemple stellaire du projet Superfacility de Berkeley Lab, conçu pour relier des sources lumineuses telles que l’ALS et des instruments de pointe, notamment des microscopes et des télescopes, avec des données et des ressources de calcul haute performance en temps réel, a déclaré Bjoern Enders, un workflows de science des données. architecte au sein du Data Science Engagement Group du NERSC.

“Nous adorons les défis liés aux données et à l’informatique provenant d’instruments comme COSMIC qui s’aventurent au-delà des frontières des installations”, a déclaré Enders. “Nous travaillons à un avenir où il sera aussi simple qu’un clic sur un bouton pour utiliser les ressources du NERSC à partir d’une ligne de lumière.” L’ajout du nouveau supercalculateur Perlmutter au NERSC, a-t-il ajouté, “sera un partenaire idéal pour COSMIC dans la science d’équipe.”

COSMIC a démarré en mode mise en service en mars 2017 et s’est ouvert aux expériences scientifiques générales il y a environ 2 ans. Depuis ce temps, le personnel des instruments a lancé les capacités operando qui mesurent les processus chimiques actifs, par exemple, et a déployé des capacités de microscopie et de tomographie dichroïque linéaire et circulaire qui élargissent encore la gamme d’expériences d’imagerie de COSMIC.

Sa branche de diffusion cohérente est actuellement en cours de test et n’est pas encore disponible pour les utilisateurs externes. Des travaux sont également en cours pour corréler ses résultats de microscopie à rayons X avec les résultats de microscopie électronique pour les processus actifs, et pour développer davantage ses capacités cryogéniques, ce qui permettra de protéger les échantillons biologiques et autres matériaux mous contre les dommages causés par le faisceau de rayons X ultra-lumineux. pendant qu’ils sont imagés. La combinaison de la microscopie à rayons X et électronique peut fournir un outil puissant pour collecter des informations chimiques et structurelles détaillées sur des échantillons, comme démontré dans une expérience impliquant COSMIC qui a été mise en évidence dans la revue Science Advances.

Shapiro a noté qu’il est prévu d’introduire une nouvelle station expérimentale sur la ligne de lumière, chronométrée avec ALS-U, pour accueillir plus d’expériences.

L’un des secrets du succès de COSMIC est que l’instrument est conçu pour être compatible avec les composants standard de manipulation d’échantillons. Shapiro a déclaré que cette approche conviviale “a été très importante pour nous” et permet aux chercheurs universitaires et industriels de concevoir plus facilement des expériences compatibles COSMIC. «Les utilisateurs peuvent simplement se présenter et brancher (les échantillons). Cela augmente notre portée, scientifiquement», a-t-il déclaré.

Bien que COSMIC regorge de fonctionnalités, il n’est pas encombrant, et Shapiro l’a décrit comme «rationalisé en taille et en coût». Il a dit qu’il espère que ce sera un modèle pour les futures lignes de lumière, à la fois à ALS-U et dans d’autres installations de synchrotron.

“Je pense que ce qui est vraiment attrayant, c’est qu’il s’agit d’un instrument très compact. Il est performant et très stable”, a-t-il déclaré. “C’est très gérable et pas très cher. En ce sens, il devrait être très attractif pour les synchrotrons.”

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