L’Arizona State University a officiellement ouvert un nouveau chapitre dans la science des rayons X avec un instrument nouvellement mis en service, le premier du genre, qui aidera les scientifiques à voir plus profondément dans la matière et les êtres vivants. L’appareil, appelé source lumineuse à rayons X compacte (CXLS), a marqué une étape importante dans ses opérations alors que les scientifiques de l’ASU ont généré ses premiers rayons X dans la nuit du 02 février 2023.
“Cela marque le début d’une nouvelle ère scientifique avec des sources de rayons X compactes basées sur des accélérateurs”, a déclaré Robert Kaindl, qui dirige l’ASU Laser à électrons sans rayons X compact (CXFEL) des laboratoires au Institut Biodesign et est professeur au Département de physique. « Le CXLS fournit des impulsions de rayons X durs avec un flux élevé, une stabilité et des durées ultracourtes, dans un encombrement très compact. De cette façon, la matière peut être résolue à ses échelles fondamentales dans l’espace et dans le temps, permettant de nouvelles découvertes dans de nombreux domaines – des matériaux de nouvelle génération pour l’informatique et les sciences de l’information, aux énergies renouvelables, à la dynamique biomoléculaire, à la découverte de médicaments et à la santé humaine.
La construction de la source lumineuse à rayons X compacte est la première phase d’un projet CXFEL plus vaste, qui vise à construire deux instruments, dont un laser à rayons X cohérent. En tant qu’instrument de premier étage, l’ASU CXLS génère un faisceau de rayons X durs à haut flux, avec des longueurs d’onde suffisamment courtes pour résoudre la structure atomique de molécules complexes. De plus, sa sortie est pulsée à des durées extrêmement courtes de quelques centaines de femtosecondes – bien en dessous d’un millionième de millionième de seconde – et donc suffisamment courtes pour suivre directement les mouvements des atomes.
Jusqu’à présent, de telles capacités n’étaient disponibles que dans les grandes installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL), dont le nombre a été limité à une poignée de sites dans le monde en raison de leur taille et de leurs coûts de construction d’un milliard de dollars. Ici, l’appareil ASU fournit une installation compacte unique pour les rayons X ultracourts qui s’adapte à la taille d’un sous-sol, rendant la science des rayons X de pointe accessible à un campus universitaire.
Sous la surface
Les rayons X ont longtemps propulsé les découvertes médicales et scientifiques bien au-delà de ce que nous pouvons voir à l’œil nu. Les applications transcendent les échelles, de l’astronomie à rayons X pour scruter l’univers, à l’imagerie médicale à rayons X à l’échelle humaine, jusqu’à la résolution de matériaux complexes et de biomolécules à leur échelle atomique. Ces méthodes sont cependant restées largement statiques, cachant la dynamique ultrarapide au cœur des protéines à l’œuvre dans notre corps et de nombreux autres processus dans la matière.
Ce n’est que récemment que les chercheurs ont pu accéder à une telle dynamique avec des impulsions de rayons X ultracourtes générées par les XFEL. Ces impulsions de rayons X ultracourtes peuvent capturer des molécules à l’échelle atomique de la même manière que les photographes peuvent faire une image fixe des ailes d’un colibri via les courtes rafales de lumières stroboscopiques utilisées dans la photographie à grande vitesse. De plus, les rayons X ultracourts permettent de nouvelles façons de capturer des structures de protéines qui seraient autrement difficiles à cristalliser. Ici, la source de lumière à rayons X compacte d’ASU fournira des capacités clés pour aider à comprendre à la fois l’arrangement tridimensionnel et les mouvements des atomes, aidant à résoudre la fonction des protéines ou à faire progresser la découverte de médicaments en voyant comment un médicament interagit avec sa cible moléculaire, par exemple.
“Cela nous donne un nouvel outil pour examiner la science médicale et les semi-conducteurs et toutes sortes d’imagerie de différentes manières”, a déclaré William Graves, scientifique en chef du projet, directeur de la science des accélérateurs au Institut Biodesignet professeur à l’ASU Collège des sciences et arts intégratifs. «Ce que cette machine nous permet de faire, c’est de voir les changements des tissus mous. Nous pouvons voir le sang circuler dans les vaisseaux sanguins. Nous pouvons voir des nerfs individuels. Nous pouvons voir jusqu’au niveau cellulaire.
La nouvelle installation ASU CXLS comprend trois composants principaux :
- Un accélérateur de particules de table qui produit un faisceau d’électrons stable avec des énergies atteignant jusqu’à 30 millions d’électrons-volts (30 MeV)
- Un laser infrarouge de haute puissance qui interagit avec le faisceau d’électrons, produisant à son tour des impulsions de rayons X durs ultracourtes avec jusqu’à 20 keV d’énergie photonique
- Des chambres d’expérimentation scientifique et un laser à excitation accordable pour mener des études sur les interactions des rayons X avec une grande variété de cibles de recherche
Un tour de magie scientifique
Pour produire les premiers rayons X, l’instrument CXLS a été alimenté pour fournir une énergie photonique d’environ 4 keV. La première étape a lieu dans le photoinjecteur de la source lumineuse. Là, des impulsions laser UV sont appliquées sur une surface de cuivre – à un rythme de 1 000 impulsions par seconde – chacune libérant un groupe d’électrons dans le vide qui sont ensuite accélérés dans un champ électrique puissant. Ensuite, les paquets d’électrons sont entraînés par un accélérateur linéaire à une vitesse proche de la lumière et traversent une série d’aimants qui guident et focalisent le faisceau dans une chambre d’interaction.
Dans la dernière étape, un laser infrarouge est projeté presque de face dans la trajectoire des électrons venant en sens inverse. Cela se traduit par l’émission de rayons X puissants, dans un processus connu sous le nom de diffusion Compton inverse, où le laser est la clé de la taille compacte de l’installation. Des champs magnétiques puissants dirigent les électrons vers un puits de capture. Les rayons X émis sont envoyés en aval pour interagir avec l’échantillon d’intérêt, comme des protéines ou d’autres molécules (pour la première démonstration de rayons X, cette étape a été omise).
L’expérience a été réalisée et confirmée en détectant l’émission de lumière à partir d’un écran scintillateur YAG. Les scientifiques ont observé et surveillé les activités du faisceau et ont confirmé la génération de rayons X dans leurs analyses de données.
“Je suis intrigué par les innovations techniques qui réduisent considérablement la taille et le coût de ces machines”, a déclaré Graves. “L’activation de cette nouvelle source de lumière représente l’aboutissement d’une décennie de travail préparatoire, de la théorie à la conception en passant par la construction, tout en surmontant des obstacles tels que les retards de la chaîne d’approvisionnement et d’autres perturbations dues à la pandémie mondiale.”
Des efforts d’ingénierie considérables ont été nécessaires pour réaliser ce nouvel instrument, dirigé par l’ingénieur en chef et directeur adjoint du projet, Mark Holl. À l’ASU, l’équipe s’est associée au Noyau de conception et de fabrication d’instruments (IDF) dans la fabrication de précision de milliers de composants nécessaires à l’assemblage final de la ligne de lumière et de l’instrument.
« Le CXLS sera une aubaine pour un large éventail de scientifiques imaginatifs travaillant à percer les secrets de la biologie, de la chimie et de la physique. Nous sommes ravis d’atteindre cette étape importante et impatients de commencer l’ère expérimentale de la science des accélérateurs compacts à rayons X », a déclaré Graves.
Une nouvelle ère commence
Le CXLS est en cours de préparation pour sa première série d’expériences. Pour ce faire, les chercheurs de l’ASU ont construit une configuration expérimentale avancée pour la cristallographie aux rayons X. Les impulsions de rayons X se déplacent le long d’une «ligne de faisceau» à travers une fenêtre découpée blindée en plomb de la source à la salle adjacente du clapier de l’utilisateur et dans la chambre d’expérimentation scientifique. La configuration offre des capacités de positionnement et d’injection d’échantillons de précision à l’échelle nanométrique, ainsi qu’un détecteur de rayons X haute résolution de 4 mégapixels qui peut capturer chaque prise de rayons X. De plus, un laser à excitation accordable – financé par une subvention IRM de la National Science Foundation – fournit une photoexcitation sur mesure pour les études résolues dans le temps.
Parmi les scientifiques désireux de se lancer dans les premières expériences se trouve Petra Fromme de l’ASU, une experte de premier plan dans la compréhension du fonctionnement des processus de la vie au niveau moléculaire. Fromme, avec son regretté collègue ASU John Spence et avec Henry Chapman au centre allemand de synchrotron à électrons DESY à Hambourg, a co-développé les méthodes de base de la cristallographie femtoseconde en série utilisée dans les grands XFEL d’aujourd’hui dans le monde entier.
“Il était clair dès le début que ce serait le premier instrument de ce type au monde”, a déclaré Fromme. « Sans l’énorme engagement du président Crow envers le bâtiment Biodesign C et le financement initial de 9 millions de dollars, nous n’aurions jamais pu lancer le programme. Et puis, dans un avion, j’ai rencontré [the late] Leo Beus sans savoir qui il était. Lui et sa femme Annette ont fait un don de 10 millions de dollars pour CXFEL Labs.
Fromme prévoit d’appliquer le CXLS pour explorer les étapes les plus fondamentales de la façon dont les plantes convertissent la lumière du soleil en énergie pendant la photosynthèse, des informations qui peuvent aider à créer des photosystèmes artificiels pour une conversion d’énergie plus efficace et renouvelable.
“Ma véritable motivation est toujours le Saint Graal de la photosynthèse, qui à la base n’a pas été résolu”, a déclaré Fromme. “Comment les plantes divisent-elles l’eau en oxygène, protons et électrons en utilisant la lumière visible et les métaux abondants sur Terre ? Lorsque nous découvrirons comment les plantes font cela, nous pourrons alors construire des systèmes aussi efficaces que la nature et aussi stables que des systèmes artificiels.
De plus, dans le cadre d’une collaboration avec la Mayo Clinic Arizona, l’ASU prévoit d’utiliser l’instrument pour l’imagerie médicale des tissus afin d’aider à la détection précoce de maladies comme le cancer.
Déjà, le nouvel instrument a servi de phare dans le recrutement de nouveaux scientifiques à l’ASU, comme le professeur adjoint du Département de physique Sam Teitelbaum. “Ma recherche utilise des lasers à électrons libres, des lasers de table et des synchrotrons pour comprendre comment les matériaux se transforment”, a déclaré Teitelbaum. “En utilisant la nouvelle source de rayons X compacte, nous pouvons en apprendre beaucoup sur les propriétés de la matière en l’observant sur les échelles de temps très rapides sur lesquelles opèrent leurs molécules individuelles.”
Élargir l’accès à la science avancée des rayons X
L’instrument ASU servira l’ensemble de la communauté de recherche. L’un des principaux avantages de l’instrument CXLS pour la nation est d’élargir l’accès à la science des rayons X ultracourts – en fait de «démocratiser» – afin que d’autres universités ou laboratoires puissent utiliser l’installation ASU ou développer une technologie similaire. Cet accès accru contribuera à accélérer et à faire progresser des domaines scientifiques critiques et à élargir la base d’utilisateurs pour les grands XFEL. Le CXLS sera disponible pour servir des scientifiques de partout aux États-Unis, constituer un terrain de formation pour les étudiants de l’ASU et attirer des scientifiques internationaux. Ensemble, cette nouvelle génération de scientifiques en rayons X peut multiplier les découvertes scientifiques et l’exploration des structures et de la dynamique des êtres vivants, des molécules et des matériaux.
“Je suis très intrigué par ce qui se trouve à la limite de nos connaissances, en poursuivant des phénomènes qui n’ont jamais été observés auparavant”, a déclaré Kaindl. « Maintenant, nous avons tous les moyens de le faire. Avec la conclusion de la mise en service de la source lumineuse à rayons X compacte, notre attention se portera sur les premières expériences avec ses rayons X ultracourts et la transition vers une installation utilisateur.
La première série d’expériences devrait commencer plus tard en 2023. ###
À propos de l’Université d’État de l’Arizona
L’Arizona State University a développé un nouveau modèle pour l’American Research University, créant une institution qui s’engage pour l’accès, l’excellence et l’impact. L’ASU se mesure par ceux qu’elle inclut, pas par ceux qu’elle exclut. En tant que prototype d’une nouvelle université américaine, l’ASU poursuit des recherches qui contribuent au bien public, et l’ASU assume une responsabilité majeure pour la vitalité économique, sociale et culturelle des communautés qui l’entourent.
