De la chimie à la science des matériaux en passant par la recherche COVID-19, l'APS est l'une des sources lumineuses à rayons X les plus productives au monde. Une mise à niveau en fera un leader mondial parmi la prochaine génération de sources lumineuses, ouvrir de nouvelles frontières à la science.

Depuis près de 25 ans depuis la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie des États-Unis (DOE), ouvert pour la première fois au laboratoire national d'Argonne du DOE, il a joué un rôle essentiel dans certaines des découvertes et avancées scientifiques les plus importantes.

Plus de 5, 000 chercheurs du monde entier mènent des expériences à l'APS chaque année, et leur travail a, parmi de nombreux autres succès notables, a ouvert la voie à de meilleures batteries renouvelables; entraîné le développement de nombreux nouveaux médicaments; et contribué à rendre les véhicules plus efficaces, des matériaux d'infrastructure plus solides et une électronique plus puissante.

Les recherches menées à l'APS ont également directement conduit à deux prix Nobel, et contribué à un tiers. Plus récemment, l'APS apporte une contribution significative à la lutte contre le COVID-19. Ses lignes de lumière sont impliquées dans la recherche pour à la fois identifier les structures protéiques du virus et trouver des traitements pharmaceutiques et/ou des vaccins potentiels. Ces travaux montrent clairement l'importance continue des sources lumineuses à rayons X, comme l'APS, pour résoudre les problèmes critiques de notre monde.

Pourtant, alors que l'APS est toujours l'une des installations de recherche prééminentes de son genre, l'anneau de stockage d'électrons qui en est le cœur a été conçu à partir de la fin des années 1980 et, aussi révolutionnaire qu'elle l'était à l'époque, repose désormais sur une technologie dépassée.

"Après 25 ans, le défi est de savoir comment continuer à faire de l'APS un lieu intéressant et utile pour les chercheurs ?", a demandé Jim Kerby, chef de projet pour la mise à niveau de l'APS (APS-U), qui est venu en Argonne pour aider à répondre à cette question. « Comment créer une installation qui continue de fournir des opportunités de travail qui ne peuvent être effectuées nulle part ailleurs ? »

Alors que l'APS s'apprête à subir une mise à niveau de 815 millions de dollars qui, dès fin 2023, permettre la science à une échelle complètement nouvelle et sans précédent, l'équipe APS d'Argonne et les milliers de chercheurs qu'elle soutient se tournent vers l'avenir avec enthousiasme, même si personne ne peut connaître complètement l'éventail complet des opportunités scientifiques qui l'attendent.

« La mise à niveau de l'APS nous permettra de mener de nouvelles expériences que nous pouvons à peine imaginer en ce moment. Ce sera transformationnel, " a déclaré Jonathan Lang, le directeur de la Division des sciences des rayons X (XSD) de l'APS.

"D'Usain Bolt au F-15"

L'APS fonctionne comme un microscope à rayons X géant. Il produit des rayons X extrêmement brillants qui peuvent traverser des matériaux denses et éclairer la structure et la chimie de la matière au niveau moléculaire et atomique. Dans le cadre de la mise à niveau, l'anneau de stockage circulaire existant de 1,1 kilomètre sera remplacé et les lignes de rayons X et autres équipements seront mis à jour, créant une installation de rayons X beaucoup plus puissante et une production de rayons X plus lumineuse.

La luminosité des rayons X sera jusqu'à 500 fois supérieure à celle de la machine actuelle, dit Kerby, et améliorera considérablement les performances.

"C'est difficile à imaginer pour quiconque, " dit Kerby. " C'est comme passer d'Usain Bolt, un sprinter d'athlétisme détenteur d'un record du monde connu pour être l'un des hommes les plus rapides sur Terre, à un avion de chasse F-15. Les deux sont rapides, mais ce sont deux vitesses très différentes. Des expériences qui étaient auparavant impossibles à réaliser dans un laps de temps réaliste seront désormais menées en quelques minutes à quelques heures. »

Une autre amélioration majeure concerne la cohérence du faisceau, qui se rapporte à la façon dont la lumière à rayons X est ordonnée. Lang a déclaré que cela passerait de quelque chose comme un projecteur qui produit un large jet de lumière à quelque chose de beaucoup plus comme un laser.

Selon Stephen Streiffer, directeur adjoint du laboratoire pour la science et la technologie, directeur de laboratoire associé par intérim pour Photon Sciences, et directeur de l'APS, la cohérence est particulièrement importante :« Les rayons X à haute énergie qui sont ultra-lumineux avec une cohérence très élevée nous permettront des expériences dans des environnements réels, pas seulement des environnements modèles."

Streiffer a déclaré qu'il était essentiel que la nouvelle source de rayons X permette des mesures à plusieurs échelles physiques et temporelles. "Pensez à explorer l'électrochimie dans une batterie. Cela va d'une nanoseconde avec des atomes diffusant dans un environnement local jusqu'à des changements macroscopiques dans la batterie au fil des jours, semaines voire des années. Avec la luminosité accrue, nous pourrons regarder l'ensemble de l'image."

Lang montra un autre angle. "Actuellement, vous ne pouvez voir qu'une petite partie d'un matériau, et cela prend beaucoup de temps. Avec la mise à niveau, nous obtiendrons à la fois une haute résolution et un large champ de vision. Par exemple, comprendre les propriétés mécaniques des matériaux polycristallins, vous voulez voir comment les éléments sont distribués autour des joints de grains entre les cristaux, mais vous voulez aussi voir comment se compare un grand nombre de joints de grains. Cela permettra aux chercheurs d'examiner beaucoup plus de cellules, d'une manière qui pourrait en fin de compte considérablement améliorer les matériaux de structure utilisés dans les industries automobile et aérospatiale."

Avec la luminosité plus élevée, Lang a dit, viendra également une immense charge de données. "Mais nous avons du calcul haute performance sur le campus, donc c'est une excellente synergie. Ils peuvent calculer les chiffres pour gérer les données. C'est une source et une ressource uniques très proches." Et avec le nouveau supercalculateur Aurora qui devrait faire ses débuts en 2021, il y aura encore plus d'opportunités de tirer parti des ressources inégalées d'Argonne.

Bob Hettel, le directeur du projet APS-U, a participé à la conception de l'APS actuel alors qu'il travaillait au SLAC National Accelerator Laboratory. Il a dit que c'était une période très excitante pour la technologie des rayons X, en particulier avec les progrès de la conception des anneaux de stockage, et APS a « proposé une approche agressive qui améliore et améliore ce que d'autres ont fait au cours des deux dernières décennies ».

Pour Hettel, le plus grand défi est qu'il n'y a pas un seul obstacle technique, mais c'est plutôt l'intégration de tant de composants différents. "Il y a un million de pièces mobiles. Mais nous nous engageons avec la communauté des utilisateurs, et nous avons les meilleurs techniciens au monde dans de nombreux domaines qui se sont réunis pour faire fonctionner le tout."

Kerby a déclaré que l'APS serait fermé au plus tôt en juin 2022, mais pas avant que toutes les pièces de la nouvelle machine aient été vérifiées et prêtes à être assemblées à la place de l'ancienne machine, l'APS mis à niveau revenant en ligne environ un an. plus tard. À ce moment, il a dit, les utilisateurs devront recalibrer complètement leur perception des expériences scientifiques possibles.

Change tout le jeu

Conal Murray est un membre du personnel de recherche au IBM Watson Research Center à New York qui a eu son premier temps de faisceau à l'APS il y a plus de 20 ans, et qui revient presque chaque année depuis.

Ses recherches actuelles portent sur l'ingénierie des contraintes dans les transistors de la future génération. Les progrès dans ce domaine sont importants pour la mise à l'échelle des appareils dans des applications allant des téléphones intelligents au calcul haute performance, où une plus grande densité de transistors peut être obtenue tout en augmentant la fonctionnalité globale.

"La cohérence et la luminosité améliorées nous permettront de faire des mesures d'appareils réels, pas seulement des structures représentatives. Nous ne pouvions le faire qu'avec la mise à niveau APS, " Murray a déclaré. "Mais je suis tout aussi excité par les résultats inattendus qui viendront de cette mise à niveau. Nous ne connaîtrons pas tous les avantages jusqu'à ce qu'il soit construit et opérationnel."

Pour Gayle Woloschak, chercheur à la Northwestern University, l'APS-U lui permettra de « passer au niveau supérieur de ce que nous pouvons faire. Nous pourrons faire un balayage rapide des cellules, un nombre important en peu de temps. » Cela augmentera considérablement le nombre de patients pouvant être suivis et fournira une bien meilleure compréhension de ce qui se passe pendant le traitement.

Pour des chercheurs comme Stephan Hruszkewycz, dans la division Science des Matériaux d'Argonne, les rayons X à l'APS sont l'un des seuls moyens de voir comment les matériaux se comportent dans des conditions extrêmes, qui est essentiel pour répondre à une série de défis énergétiques. "La mise à niveau est une énorme opportunité pour la science des matériaux. Avec les caractéristiques améliorées et en adoptant de nouvelles méthodes, nous pourrons regarder les matériaux dans un état qui nous donnera une idée beaucoup plus riche de la façon dont ils se transforment dans des environnements extrêmes."

Si Chen, un physicien de la Division des sciences des rayons X d'Argonne qui travaille principalement avec des applications biologiques, a déclaré que l'APS-U impliquera également des améliorations majeures de l'équipement. "L'une des choses les plus importantes n'est pas seulement la mise à niveau elle-même, mais tous les nouveaux instruments pour utiliser la luminosité que la mise à niveau va fournir."

Chen a déclaré que la station terminale à rayons X avec laquelle elle travaille actuellement peut étudier quelques cellules par jour; en utilisant une nouvelle machine de deuxième génération après la mise à niveau, cela augmentera à des milliers de cellules par jour. "Nous pourrons collecter des données beaucoup plus rapidement, et cette population plus importante augmentera la confiance dans les conclusions de la recherche. »

Elle a ajouté que la nouvelle machine permettra aux chercheurs d'atteindre une focale de 10 nanomètres, ce qui est six à huit mille fois plus petit qu'un seul cheveu humain.

L'équipe d'accès collaboratif du nord-est (NE-CAT) exploite deux lignes de lumière à l'APS, financé par les National Institutes of Health et desservant 600 à 700 utilisateurs uniques. Malcolm Capel, directeur adjoint NE-CAT, convenu que plusieurs transitions devront se produire à la fois. "Nos systèmes de contrôle ont 20 ans, trop. Nous aurons de nouveaux logiciels et plus de documentation de nos systèmes pour les utilisateurs. »

Laurence Lurio est présidente du département de physique de la Northern Illinois University, dont le travail consiste à examiner des matériaux biologiques tels que des protéines et des lipides. Il a déclaré que l'amélioration de la cohérence du faisceau permettra à son équipe de recherche de se concentrer davantage sur la science que sur la technique.

« La chose la plus excitante avec la mise à niveau est que nous allons passer de très difficiles, mesures axées sur la technique à quelque chose qui est beaucoup plus facile et pratique à faire. La technique doit être suffisamment simple pour que vous puissiez regarder la science. Si vous faites trop d'efforts pour faire une mesure, vous ne pouvez pas regarder les applications importantes."

Lurio a ajouté que s'il n'y avait pas l'APS et le soutien du DOE, un travail aussi novateur ne serait pas possible. « Issu d'une université de taille moyenne, nous n'avons pas un budget énorme pour l'infrastructure de recherche. Et c'est probablement vrai pour les universités de recherche encore plus grandes. Mais nous pouvons tous venir à l'APS et avoir soudainement le meilleur outil au monde pour faire une expérience. La disponibilité de cette installation change tout le jeu."

Sur la terre ferme pour encore 25 ans

Le potentiel de futures découvertes cruciales résultant de la mise à niveau est pratiquement illimité. Les exemples peuvent inclure des systèmes révolutionnaires pour convertir la lumière du soleil en énergie et stocker cette énergie; mécanismes détaillés par lesquels les polluants se déplacent dans le sol; nettoyeur, des biocarburants plus efficaces; une compréhension transformationnelle de la structure du noyau interne de la Terre ; de nouveaux médicaments pour traiter les infections résistantes aux antibiotiques; et une meilleure compréhension de la façon dont le cerveau traite et stocke les informations avec les neurones.

Kerby a déclaré qu'il n'avait aucun doute que la mise à niveau produirait de nombreux exemples spectaculaires de science innovante. Mais ajouté, "Ce qui est vraiment important, ce ne sont pas les exemples précis, c'est l'opportunité d'aller dans des directions auxquelles les gens n'avaient pas pensé auparavant, ou avait radié."

Et cela, dit Lang, est finalement l'objectif de la mise à niveau.

« Nous voulons garantir la pertinence de l'APS pendant encore 25 ans, " a dit Lang. " Dans 10 à 15 ans, les gens commenceront à proposer de nouvelles idées. La mise à niveau de l'APS mettra Argonne sur une base solide dans le monde pendant encore 25 ans. Vous ne pouvez pas prédire l'avenir beaucoup plus loin que cela."