Una línea de rayos X de próxima generación que ahora opera en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab reúne un conjunto único de capacidades para medir las propiedades de los materiales a nanoescala.
Llamada COSMIC, por dispersión coherente y microscopía, esta línea de rayos X en Berkeley Lab's Berkeley Lab's Advanced Light Source ALS permite a los científicos sondear baterías en funcionamiento y otras reacciones químicas activas, y revelar nuevos detalles sobre el magnetismo y los materiales electrónicos correlacionados.
COSMIC tiene dos ramas que se centran en diferentes tipos de experimentos de rayos X: uno para experimentos de imágenes de rayos X y otro para experimentos de dispersión. En ambos casos, los rayos X interactúan con una muestra y se miden de una manera que proporciona,información estructural, química, electrónica o magnética sobre muestras.
La línea de luz también pretende ser un importante puente tecnológico hacia la actualización de ALS planificada, denominada ALS-U, que maximizaría sus capacidades.
Ahora, después de un aumento de primer año durante el cual el personal probó y ajustó sus componentes, se espera que los resultados científicos de sus primeros experimentos se publiquen en revistas a finales de este año.
Un estudio publicado a principios de este mes en la revista Comunicaciones de la naturaleza , basado principalmente en el trabajo en una línea de haz ALS relacionada, demostró con éxito una técnica conocida como tomografía computarizada fenográfica que mapeó la ubicación de las reacciones dentro de las baterías de iones de litio en 3-D. Ese experimento probó la instrumentación que ahora está instalada permanentemente en elInstalación de imágenes COSMIC.
"Este resultado científico surgió del esfuerzo de I + D que llevó a COSMIC", dijo David Shapiro, científico del personal del Grupo de Sistemas Experimentales ESG en ALS de Berkeley Lab y el científico principal de los experimentos de microscopía de COSMIC.
Ese resultado fue posible gracias a las inversiones de ALS en I + D, y las colaboraciones con la Universidad de Illinois en Chicago y con el Centro Berkeley Lab para Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación de Energía CAMERA, señaló.
"Nuestro objetivo es proporcionar una clase completamente nueva de herramientas para las ciencias de los materiales, así como también para las ciencias ambientales y de la vida", dijo Shapiro. La psicografía logra una resolución espacial más fina que el tamaño del punto de rayos X mediante la recuperación de fase de datos de difracción coherentes, y "El ALS ha hecho esto con una resolución espacial récord mundial en dos y ahora en tres dimensiones", agregó.
La técnica de tomografía ptychographic que los investigadores utilizaron en este último estudio les permitió ver los estados químicos dentro de las nanopartículas individuales. Young-Sang Yu, autor principal del estudio y científico de ESG, dijo: "Observamos una bateríacátodo en 3-D con una resolución sin precedentes para los rayos X. Esto proporciona una nueva visión del rendimiento de la batería tanto a nivel de partículas individuales como a través de porciones estadísticamente significativas de un cátodo de batería ".
COSMIC se centra en una gama de rayos X "suaves" o de baja energía que son particularmente adecuados para el análisis de la composición química dentro de los materiales
La tomografía fenográfica puede ser particularmente útil para observar los componentes celulares, así como las baterías u otros materiales químicamente diversos en extremo detalle. Shapiro dijo que el haz de rayos X en COSMIC se enfoca en un punto de aproximadamente 50 nanómetros milmillonésimas de metrode diámetro; sin embargo, la ptychography puede mejorar la resolución espacial rutinariamente por un factor de 10 o más. El trabajo actual se realizó con un haz de 120 nanómetros que logró una resolución tridimensional de aproximadamente 11 nanómetros.
El haz de rayos X de COSMIC también es más brillante que la línea de haz de ALS que se usó para probar su instrumentación, y se volverá aún más brillante una vez que ALS-U esté completo. Este brillo puede traducirse en una resolución aún mayor a nanoescala, y también puede permitirmucha más precisión en experimentos dependientes del tiempo.
El uso eficiente de este brillo requiere detectores rápidos, desarrollados por el grupo de detectores ALS. El detector actual puede operar a una velocidad de datos de hasta 400 megabytes por segundo y ahora puede generar unos pocos terabytes de datos por día.suficiente para almacenar entre 500 y 1,000 películas de largometraje. Los detectores de próxima generación, que se probarán en breve, producirán datos 100 veces más rápido.
"Esperamos ser la línea de luz más intensiva en datos en ALS, y un componente importante de COSMIC es el desarrollo de matemáticas avanzadas y computación capaces de reconstruir rápidamente la información de los datos a medida que se recopilan", dijo Shapiro.
Para desarrollar estas herramientas COSMIC junto con CAMERA, que se creó para llevar las matemáticas y la informática de vanguardia a las instalaciones científicas del DOE.
El director de CÁMARA, James Sethian, dijo: "La construcción de algoritmos avanzados en tiempo real y el código de reconstrucción ptychographic de alto rendimiento para COSMIC ha sido un esfuerzo multianual muy exitoso entre matemáticos, informáticos, ingenieros de software, expertos en software y científicos de líneas de luz".
El código que el equipo desarrolló para mejorar la imagen ptychographic en COSMIC, denominado SHARP, ahora está disponible para todas las fuentes de luz en todo el complejo DOE. Para COSMIC, el código SHARP se ejecuta en un clúster de unidad de procesamiento de gráficos GPU dedicado administrado por Berkeley LabServicios de computación de alto rendimiento.
Además de la picografía, COSMIC también está equipado para experimentos que usan espectroscopía de correlación de fotones de rayos X, o XPCS, una técnica que es útil para estudiar las fluctuaciones en materiales asociados con propiedades magnéticas y electrónicas exóticas.
COSMIC permite a los científicos ver tales fluctuaciones que ocurren en milisegundos, o milésimas de segundo, en comparación con incrementos de tiempo de varios segundos o más en las líneas de haz predecesoras. Ahora se está construyendo una nueva estación terminal COSMIC con campo magnético aplicado y capacidades criogénicasel conjunto de pruebas comenzará este verano.
Los científicos ya han utilizado las capacidades de imagen de COSMIC para explorar una gama de nanomateriales, materiales de ánodo y cátodo de batería, cementos, vidrios y películas finas magnéticas, dijo Shapiro.
"Todavía estamos en el modo de aprendizaje y puesta a punto, pero el rendimiento es fantástico hasta ahora", dijo. Agradeció al equipo de ALS, dirigido por el científico de ESG Tony Warwick, por trabajar rápidamente para poner a COSMIC al día."Es bastante notable llegar a un rendimiento tan alto en tan poco tiempo".
El ALS es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. El desarrollo y despliegue de la línea de luz COSMIC fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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