Uma abordagem COSMIC para a ciência em nanoescala

 Caros Leitores;

Na linha de luz da Microscopia COSMIC, os pesquisadores investigaram o estado de oxidação do elemento químico cério usando microscopia de raios-X de transmissão de varredura (STXM) em condições operacionais. Foi a primeira demonstração dessa capacidade na COSMIC. Os resultados confirmaram como as partículas de cério ditaram o tamanho e a localização dos locais de reação das partículas de platina. Nesta representação artística, nanopartículas híbridas de CeOX-TiO2 (esferas de prata) são mostradas uniformemente cobertas com pares de platina e cério (amarelo e azul), enquanto as partículas de dióxido de titânio convencionais são mostradas menos densamente cobertas por aglomerados maiores de platina (ouro). Crédito: Universidade Nacional de Chungnam

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 um metro), extrema sensibilidade química, velocidade de varredura ultrarrápida, bem como a capacidade de medir mudanças químicas em nanoescala em amostras em tempo real e para facilitar a exploração de amostras com uma combinação de raios-X e microscopia eletrônica. Os raios X suaves representam um intervalo baixo nas energias dos raios X, enquanto os raios X duros têm uma energia mais elevada. 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 suave 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 da pticografia linear dicróica 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 dos 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. Equipar o COSMIC com tal diversidade de recursos exigiu uma colaboração igualmente ampla entre as disciplinas científicas, observou ele.

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 Fundição Molecular; 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 um pequeno pedaço 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 pixels rápidos especializados, como os desenvolvidos no Berkeley Lab.

Um desenho conceitual do microscópio COSMIC, com raios-X mostrados em roxo. Todo o equipamento é montado em um cilindro central. A placa de zona, um tipo de óptica de raios-X, é digitalizada em relação a este cilindro enquanto a amostra é mantida estacionária. O instrumento permite uma rápida alternância entre a microscopia convencional e uma técnica de imagem avançada chamada pticografia. Crédito: Laboratório Nacional Lawrence Berkeley

"A picografia de raios-X é uma técnica ativada por detector - primeiro implantada com raios X rígidos (de alta energia) usando detectores de pixel híbrido e, em seguida, no ALS com o FastCCD que desenvolvemos", disse Peter Denes, líder do programa de detectores ALS que trabalhou com o engenheiro chefe John Joseph na implementação no COSMIC. "Muito da tecnologia COSMIC se beneficiou do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD), assim como o FastCCD, que traduziu ferramentas para cosmologia em observações COSMIC." O programa LDRD do Berkeley Lab apóia atividades de pesquisa inovadoras que mantêm o laboratório na vanguarda da ciência e tecnologia.

Ptychography utiliza uma seqüência de padrões de espalhamento, produzidos como espalhamento de luz de raios-X de uma amostra. Esses padrões de espalhamento são analisados ​​por um computador que executa algoritmos de alto desempenho, que os convertem em uma imagem de alta resolução.

No artigo de 16 de dezembro de 2020, os pesquisadores destacaram como as imagens pticográficas tornaram possível ver a distribuição química de alta resolução em partículas microscópicas de um material de cátodo de bateria de fosfato de ferro de lítio (Li 0,5 FePo 4 ). As imagens pticográficas mostraram características químicas em nanoescala no interior das partículas que não eram visíveis na forma convencional da técnica de imagem, chamada espectromicroscopia.

Em uma demonstração separada de pticografia no COSMIC, os pesquisadores observaram mudanças químicas em uma coleção de nanopartículas de LixFePO4 quando submetidas a aquecimento.

Ptychography também é uma fonte de grandes demandas de dados do COSMIC. A linha de luz pode produzir vários terabytes de dados por dia ou o suficiente para preencher alguns laptops. Os cálculos intensivos necessários para a geração de imagens do COSMIC precisam de um cluster dedicado de GPUs (unidades de processamento gráfico), que são processadores de computador especializados.
A atualização do ALS impulsionará ainda mais suas demandas de dados de até 100 terabytes por dia, observou Shapiro. Planos já estão sendo discutidos para usar mais recursos do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab para acomodar esse aumento pendente de dados.

COSMIC é um exemplo estelar do Projeto Superfacility do Berkeley Lab, que é projetado para conectar fontes de luz como o ALS e instrumentação de ponta, incluindo microscópios e telescópios, com dados e recursos de computação de alto desempenho em tempo real, disse Bjoern Enders, um fluxo de trabalho de ciência de dados arquiteto do Grupo de Engajamento de Ciência de Dados da NERSC.
"Amamos os desafios de dados e computação de instrumentos como o COSMIC que se aventuram além das fronteiras das instalações", disse Enders. "Estamos trabalhando em direção a um futuro em que será tão fácil quanto clicar em um botão para usar os recursos do NERSC a partir de uma linha de luz." A adição do novo supercomputador Perlmutter no NERSC, ele acrescentou, "será um parceiro ideal para a COSMIC na ciência da equipe".

O COSMIC começou em modo de comissionamento em março de 2017 e foi aberto para experimentos científicos gerais há cerca de 2 anos. Desde então, a equipe do instrumento lançou recursos de operando que medem processos químicos ativos, por exemplo, e implementou microscopia dicróica linear e circular e recursos de tomografia que estendem ainda mais a gama de experimentos de imagem do COSMIC.

Seu ramo de espalhamento coerente agora está sendo testado e ainda não está disponível para usuários externos. Também está em andamento um trabalho para correlacionar seus resultados de microscopia de raios-X com os resultados de microscopia eletrônica para processos ativos e para desenvolver ainda mais suas capacidades criogênicas, o que permitirá que amostras biológicas e outros materiais moles sejam protegidos de danos pelo feixe ultrabright de raios-X enquanto eles estão sendo fotografados. A combinação de raios-X e microscopia eletrônica pode fornecer uma ferramenta poderosa para reunir informações químicas e estruturais detalhadas em amostras, conforme demonstrado em um experimento envolvendo o COSMIC que foi destacado na revista Science Advances .

Shapiro observou que há planos para introduzir uma nova estação experimental na linha de luz, sincronizada com ALS-U, para acomodar mais experimentos.

Um segredo para o sucesso do COSMIC é que o instrumento foi projetado para compatibilidade com componentes padrão de manuseio de amostras. Shapiro disse que essa abordagem amigável "tem sido realmente importante para nós" e torna mais fácil para os pesquisadores da academia e da indústria projetarem experimentos compatíveis com o COSMIC. “Os usuários podem simplesmente aparecer e conectar (as amostras). Isso aumenta nosso alcance, cientificamente”, disse ele.

Embora o COSMIC seja carregado com recursos, ele não é volumoso e Shapiro o descreveu como "simplificado em tamanho e custo". Ele disse que espera que seja um modelo para futuras linhas de luz, tanto no ALS-U quanto em outras instalações do síncrotron.

“Acho que o que é realmente atraente nisso é que é um instrumento muito compacto. É de alto desempenho e muito estável”, disse ele. "É muito gerenciável e não muito caro. Nesse sentido, deve ser muito atraente para os síncrotrons".

Fonte: Phys News / pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley / 04-03-2021

https://phys.org/news/2021-03-cosmic-approach-nanoscale-science.html    

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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Membro da Society for Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA (NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).

Participa do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.

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