Η αναγέννηση κορυφαίων ευρωπαϊκών εγκαταστάσεων υπόσχεται επαναστατικές προόδους στην επιστήμη των ακτίνων Χ
Ένα λαμπρό νέο φως λάμπει στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, όπου αξιωματούχοι της Ευρωπαϊκής Εγκατάστασης Ακτινοβολίας Σύγχρονον (ESRF) την περασμένη εβδομάδα ανακοίνωσαν την επαναλειτουργία της πλήρως ανακατασκευασμένης πηγής ακτίνων Χ. Το μηχάνημα σε σχήμα δακτυλίου, 844 μέτρα γύρω, παράγει ακτίνες Χ 100 φορές φωτεινότερες από τον προκάτοχό του και 10 τρισεκατομμύρια φορές φωτεινότερες από τις ιατρικές ακτινογραφίες. Η έντονη ακτινοβολία θα μπορούσε να ανοίξει νέους ορίζοντες στην επιστήμη των ακτίνων Χ, όπως η απεικόνιση ολόκληρων οργάνων σε τρεις διαστάσεις, ενώ αναλύει μεμονωμένα κύτταρα.
«Το φως επέστρεψε στο ESRF», είπε ο γενικός διευθυντής του εργαστηρίου, Francesco Sette, σε μια διαδικτυακή συνέντευξη Τύπου στις 8 Ιουλίου. Το αναγεννημένο σύγχροτρο, που ονομάζεται Εξαιρετικά Λαμπρή Πηγή (EBS), θα ανοίξει σε γενικούς χρήστες στα τέλη Αυγούστου, αλλά από τον Απρίλιο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις έντονες δέσμες του για να μελετήσουν τον SARS-CoV-2, τον ιό που ευθύνεται για την πανδημία COVID-19. και την επίδραση της νόσου στον οργανισμό. Και το EBS ανοίγει το δρόμο για άλλους, καθώς οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ιαπωνία και μια ντουζίνα άλλες χώρες αναπτύσσουν παρόμοια μηχανήματα.
Ένα σύγχροτρο είναι ένας επιταχυντής σε σχήμα δακτυλίου που ενισχύει φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια σε υψηλές ενέργειες και ταχύτητα κοντά στο φως. Ακριβώς όπως ένα βρεγμένο πανί πετά σταγονίδια νερού αν το στροβιλίσεις πάνω από το κεφάλι σου, τα κυκλοφορούντα ηλεκτρόνια ακτινοβολούν φωτόνια, συμπεριλαμβανομένων των ακτίνων Χ εάν τα ηλεκτρόνια έχουν αρκετή ενέργεια. Στη δεκαετία του 1950, οι επιστήμονες άρχισαν να συλλέγουν ακτίνες Χ από επιταχυντές ηλεκτρονίων που κατασκευάστηκαν για πειράματα φυσικής σωματιδίων. Στη δεκαετία του 1980 ακολούθησαν αφιερωμένα σύγχρονα ακτίνων Χ, χρησιμοποιώντας μαγνήτες που ονομάζονται wigglers για να ανακινούν τα ηλεκτρόνια καθώς στροβιλίζονται γύρω τους, προκαλώντας τα να παράγουν περισσότερες ακτίνες Χ. Στη δεκαετία του 1990, έκαναν το ντεμπούτο τους καλύτερα σύγχροτρα με μαγνήτες που ονομάζονται κυματιστές που ανακινούν τα κυκλοφορούντα ηλεκτρόνια πιο αρμονικά και αποτελεσματικά.
Σε όλο τον κόσμο, δεκάδες σύγχρονα διαφορετικών ενεργειών εκπέμπουν τώρα φως που κυμαίνεται από μεγαλύτερα υπεριώδη μήκη κύματος έως μικρές "σκληρές" ακτίνες Χ, εξυπηρετώντας περισσότερους από 55.000 χρήστες ετησίως σε τομείς που κυμαίνονται από τη χημεία και τις επιστήμες των υλικών έως τη γεωλογία και την ιστορία της τέχνης. Οι εκρήξεις των εξαιρετικά έντονων ακτίνων Χ μπορούν να ανιχνεύσουν τη διάταξη των ατόμων σε έναν πρωτεϊνικό κρύσταλλο ακόμη και όταν τον καταστρέφουν. Από τις περισσότερες από 166.000 δομές τρισδιάστατων πρωτεϊνών που έχουν συμπεράνει μέχρι στιγμής οι βιολόγοι, περισσότερες από 120.000 προσδιορίστηκαν στα σύγχροτρα.
Το κόλπο για να φωτιστούν οι ακτίνες Χ του ESRF ήταν να συρρικνωθεί ακόμη περισσότερο η ήδη μικροσκοπική δέσμη ηλεκτρονίων του μηχανήματος, λέει ο Pantaleo Raimondi, διευθυντής του τμήματος επιταχυντών και πηγών του ESRF. Το νέο μηχάνημα θα κυκλοφορεί μια δέσμη σαν κορδέλα ύψους 2 μικρομέτρων και πλάτους 20 μικρομέτρων, το ένα τριάντα του πλάτους της παλιάς δοκού. Για να το συμπιέσουν, οι ερευνητές του ESRF ακολούθησαν μια μέθοδο που εφευρέθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 2000 και εφαρμόστηκε στο χαμηλότερης ενέργειας MAX IV synchrotron στη Σουηδία, το οποίο ενεργοποιήθηκε το 2016.
Σε ένα σύγχροτρο, μαγνήτες που ονομάζονται δίπολα περιβάλλουν τον σωληνωτό θάλαμο κενού μέσω του οποίου ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια, τροφοδοτώντας το κατακόρυφο πεδίο που κάμπτει την τροχιά των σωματιδίων γύρω από τον δακτύλιο. Τα δίπολα κάμπτουν τα ηλεκτρόνια ελαφρώς διαφορετικά ποσά ανάλογα με τις ενέργειές τους, προκαλώντας την εξάπλωση της δέσμης ηλεκτρονίων. Για να είναι εστιασμένο, πιο πολύπλοκοι μαγνήτες που ονομάζονται τετραπόλοι ταιριάζουν μεταξύ των δίπολων και λειτουργούν σαν φακοί. Αλλά ένα τετράπολο που εστιάζει τη δέσμη ηλεκτρονίων οριζόντια την απλώνει κατακόρυφα και αντίστροφα, έτσι η δέσμη διαστέλλεται και συστέλλεται σαν ακορντεόν καθώς κυκλοφορεί. Οι φυσικοί του MAX IV συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να μειώσουν αυτές τις ταλαντώσεις αντικαθιστώντας τα μακρύτερα δίπολα με ένα μεγαλύτερο αριθμό μικρότερων και περισσότερων τετράποδων.
Υπήρχε, όμως, ένα πιάσιμο. Τα τετράγωνα εστιάζουν επίσης τα ηλεκτρόνια διαφορετικά ανάλογα με την ενέργειά τους. Ακόμη πιο πολύπλοκοι μαγνήτες που ονομάζονται εξάπολοι μπορούν να διορθώσουν αυτό το φαινόμενο. Αλλά αν η δέσμη είναι ήδη στενή, τα εξάπολα λειτουργούν αναποτελεσματικά και το σχήμα σβήνει πριν φτάσει στη μέγιστη συμπίεση. Οι ερευνητές του MAX IV παρέκαμψαν αυτό το πρόβλημα μειώνοντας την ενέργεια των ηλεκτρονίων τους, αλλά το ESRF δεν μπορούσε να το κάνει αυτό και εξακολουθεί να παράγει σκληρές ακτίνες Χ. Το 2008, ο Raimondi και οι συνεργάτες του βρήκαν μια διέξοδο από το δίλημμα:Θα τακτοποιούσαν το γάντι των μαγνητών έτσι ώστε η δέσμη ηλεκτρονίων να απλώνεται για λίγο καθώς περνούσε μέσα από τα εξάπολα.
Μετά την απενεργοποίηση της μηχανής τους τον Δεκέμβριο του 2018, οι εργαζόμενοι του ESRF αντικατέστησαν σχεδόν όλα τα εξαρτήματά του σε μόλις 13 μήνες με κόστος 150 εκατ. ευρώ. Ενώ η αρχική μηχανή είχε δύο μακριά δίπολα σε καθένα από τα 32 τμήματα ή τόξα της, η νέα έχει επτά, συν 24 άλλους μαγνήτες. Συνολικά, περισσότεροι από 1000 νέοι μαγνήτες εγκαταστάθηκαν στην ίδια αίθουσα σε σχήμα ντόνατ όπως πριν. "Το αμάξωμα του αυτοκινήτου παραμένει το ίδιο, αλλά βγάλαμε τον παλιό κινητήρα και βάλαμε τον κινητήρα μιας Ferrari", λέει ο Raimondi.
Το ανακατασκευασμένο μηχάνημα θα πρέπει να ανοίξει ποιοτικά νέα παράθυρα στην επιστήμη των ακτίνων Χ, λέει ο Harald Reichert, διευθυντής του ESRF για την έρευνα στις φυσικές επιστήμες. Οι σκληρές ακτίνες Χ μπορούν να διεισδύσουν στα υλικά πολύ πιο βαθιά από τις ακτίνες Χ χαμηλότερης ενέργειας και οι έντονες ακτίνες Χ του νέου μηχανήματος θα του επιτρέψουν να μελετήσει δείγματα πάχους έως και 1 μέτρου. Έτσι, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να σαρώσουν ένα μπλοκ κινητήρα και στη συνέχεια να μεγεθύνουν ελαττώματα υλικού με σχεδόν ατομική ανάλυση, λέει ο Reichert.
Επειδή τα φωτόνια των ακτίνων Χ αναδύονται από μια τόσο μικροσκοπική δέσμη ηλεκτρονίων, θα πρέπει να ταλαντώνονται ομόφωνα όπως αυτά στο φως λέιζερ, τονίζοντας την κυματοειδή φύση της δέσμης ακτίνων Χ. Αυτή η ενισχυμένη συνοχή δίνει στο νέο ESRF ένα μεγάλο πλεονέκτημα για την απεικόνιση. Όταν οι ερευνητές εκπέμπουν μια δέσμη ακτίνων Χ μέσα από ένα δείγμα, οι παραλλαγές στο υλικό θα καθυστερήσουν το μέτωπο του κύματος των συνεκτικών ακτίνων Χ σε διαφορετικούς βαθμούς, δημιουργώντας ένα διάστικτο μοτίβο έντασης σε έναν μακρινό ανιχνευτή. Από πολλά τέτοια μοτίβα, οι ερευνητές μπορούν να εξαγάγουν μια λεπτομερή τρισδιάστατη εικόνα του δείγματος.
Για παράδειγμα, οι νευροεπιστήμονες που προσπαθούν να χαρτογραφήσουν τους μεμονωμένους νευρώνες και τις διασυνδέσεις τους στον εγκέφαλο του ποντικιού πρέπει τώρα να κόψουν έναν εγκέφαλο σε λεπτές φέτες, να σαρώσουν κάθε φέτα με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν τεράστια ισχύ υπολογιστή για να συνδέσουν τις φέτες. Με τις διεισδυτικές, συνεκτικές δέσμες του ESRF, οι ερευνητές μπορεί να είναι σε θέση να κάνουν το ίδιο πράγμα πολύ πιο γρήγορα σε έναν άθικτο εγκέφαλο ποντικιού. «Εάν μπορούν να το κάνουν αυτό, θα έχει τεράστιο αντίκτυπο στην κοινότητα», λέει η Eva Dyer, υπολογιστική νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. "Είναι πολύ ωραίο."
Το ΕΣΠΑ θα έχει μερικά χρόνια για να πιέσει το πλεονέκτημά του. Ο πλησιέστερος ανταγωνιστής του, το Advanced Photon Source (APS) στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Ιλινόις, θα υποβληθεί σε παρόμοια ετήσια ανακατασκευή το 2022, λέει ο διευθυντής του APS Stephen Streiffer. "Βλέπουμε τις δύο μηχανές όχι τόσο ως ανταγωνιστές αλλά ως αδελφές εγκαταστάσεις", λέει ο Streiffer. "Υπάρχουν πολλές ανακαλύψεις που πρέπει να γίνουν."
Το εργαστήριο RIKEN Spring-8 στην Ιαπωνία και το γερμανικό εργαστήριο Electron Synchrotron σχεδιάζουν επίσης ανακατασκευές και η Κίνα σχεδιάζει μια ολοκαίνουργια εγκατάσταση ακτίνων Χ.
Οι ερευνητές ήδη εκμεταλλεύονται τις νέες δυνατότητες του ESRF για να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση της πανδημίας COVID-19. Πολλά έργα μελετούν τη μοριακή δομή του ιού SARS-CoV-2 και ένα άλλο χρησιμοποιεί το νέο σύγχροτρο για την απεικόνιση πνευμόνων που έχουν υποστεί βλάβη από το COVID-19, λέει ο Jean Susini, διευθυντής έρευνας του ESRF για τις βιοεπιστήμες. "Στην πραγματικότητα, το πρώτο φως του EBS χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα για τον COVID-19."
