Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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INTRODUÇÃO ÀS LINHAS DE LUZ

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Em uma Fonte de Luz Síncrotron, as linhas de luz são as estações experimentais onde os materiais são analisados. Elas são como microscópios complexos que acondicionam e focalizam a radiação síncrotron, para que ela ilumine as amostras dos materiais em estudo e permita a observação de seus aspectos microscópicos.

A qualidade das análises realizadas nas linhas de luz é determinada pelo brilho da fonte de luz síncrotron, isto é, pelo número de fótons emitidos pela fonte em uma determinada faixa espectral de energia, por unidade de tempo, por unidade de tamanho e divergência angular da fonte.

Um maior brilho não é apenas capaz de melhorar quantitativamente os experimentos com a redução no tempo de aquisição de dados, com o aumento da precisão dos resultados das medidas ou com o aumento no número de amostras que podem ser analisadas num mesmo espaço de tempo.

Um maior brilho abre oportunidades completamente novas de pesquisa, permitindo a realização de experimentos com técnicas impossíveis de serem executadas em síncrotrons de baixo brilho.

NOVAS PERSPECTIVAS


O mapeamento químico e cristalográfico de materiais com resolução nanométrica, por exemplo, é feito com a iluminação de regiões nanométricas das amostras com luz síncrotron. A intensidade dessa iluminação, que define a qualidade do mapeamento obtido, é proporcional à área da região iluminada e ao brilho da fonte. Por isso, para reduzir a área iluminada e enxergar detalhes mais finos, mantendo a qualidade da imagem, é necessário um alto brilho.

Da mesma forma, para fazer imagens tridimensionais de materiais com melhor contraste e resolução temporal, algumas linhas de luz utilizam apenas a parte do feixe que é transversalmente coerente (ou seja, semelhante a um laser). Essa fração é proporcional ao brilho da fonte e ao quadrado do comprimento de onda. Assim, para se obter uma iluminação coerente intensa com raios X (comprimento de onda pequeno) é necessário um alto brilho.

O baixo brilho do atual síncrotron UVX impede que tenhamos hoje no Brasil, por exemplo, linhas de luz de micro e nanofoco e linhas de imagem por difração coerente, importantes para o desenvolvimento das áreas de biotecnologia e nanotecnologia. Isso também impede que a comunidade de usuários acadêmicos e industriais do LNLS realize experimentos de alta complexidade em áreas como arqueologia e paleontologia, passando por medicina, biologia e agricultura, ou mesmo nas áreas em que o síncrotron tradicionalmente é bastante empregado, como física, química e ciência dos materiais.

A nova fonte de luz síncrotron não será apenas capaz de melhorar quantitativamente os experimentos que já são feitos hoje. Sirius e suas Linhas de Luz possibilitarão, principalmente, uma mudança qualitativa para as pesquisas dos usuários, permitindo a realização desses experimentos hoje impossíveis no País.

NOVAS LINHAS DE LUZ

O Sirius será uma das primeiras fontes de luz síncrotron de quarta geração a serem construídos no mundo e terá o maior brilho dentre as fontes de luz na faixa de energia que vai dos raios X moles aos raios X duros com até 20 keV.

A escolha e projeto das primeiras 13 linhas de luz do Sirius foram definidas considerando três linhas gerais:

  • Acesso a Nova Ciência: aproveitar ao máximo o alto brilho de uma fonte de luz síncrotron de quarta geração para a exploração de técnicas como espalhamento coerente, nanofoco e espectroscopia por espalhamento inelástico.
  • Melhoria da Ciência Atual: dar acesso a versões aprimoradas de técnicas experimentais atualmente disponíveis através do alto brilho e amplo espectro fornecido pela fonte.
  • Inovação em Áreas Estratégicas: prover ferramentas de alta tecnologia para a resolução de problemas em áreas estratégicas para o País.

O projeto para construção das 13 primeiras linhas previstas para o Sirius encontra-se em fase de desenvolvimento técnico e prototipagem. No final de 2019, serão entregues as primeiras 5 linhas de luz, e ao final de 2020, serão entregues as 8 linhas de luz restantes.

Essas treze linhas de luz permitirão que sejam feitos estudos sem precedentes no Brasil, em praticamente todas as áreas do conhecimento, sejam eles de interesse acadêmico ou industrial.

Perspectivas em Agricultura e Meio-Ambiente


As técnicas baseadas em luz síncrotron encontram inúmeras aplicações na área de agricultura, como por exemplo em análises de solo, mapeamento de nutrientes em vegetais ou em estudos sobre contaminação.

No Sirius, o alto brilho e fluxo de luz permitirá a realização de uma grande variedade de técnicas experimentais, com alta resolução espacial e também química, para a compreensão dos processos elementares que ocorrem nos solos, desde a escala atômica até escalas micrométricas.

A análise de composições complexas como os solos – formados por combinações sólidas e heterogêneas de compostos orgânicos e inorgânicos, imersos em soluções aquosas e em meio a raízes de plantas – demanda a aplicação e a combinação de diversas técnicas experimentais, o que pode ser feito em um síncrotron de última geração como o Sirius.

Perspectivas em Energias e Materiais


No campo da energia, o Sirius poderá contribuir de forma decisiva para o desenvolvimento de materiais inteligentes, novos catalisadores e tecnologias de exploração de petróleo e gás natural.

As técnicas disponíveis na nova fonte de luz facilitarão a compreensão das propriedades mecânicas e de transporte de materiais heterogêneos, como aqueles que normalmente abrigam o óleo e o gás natural. Permitirá também estudos em diversas condições de temperatura e pressão, úteis para o avanço de técnicas de exploração em águas profundas.

Sirius irá oferecer um conjunto de ferramentas que permitirá enxergar, em detalhe, as interações entre partículas elementares, como fótons e elétrons, as ligações químicas e suas escalas de comprimento. A combinação dessas ferramentas é essencial para o desenvolvimento de novos materiais, de catalisadores mais eficientes e seletivos ao produto químico de interesse e de novas formas de armazenar eletricidade, além de sistemas para células solares, células combustível e baterias.

Perspectivas em Saúde e Fármacos


Pesquisas feitas com síncrotron são fundamentais para identificação das estruturas tridimensionais de proteínas, isto é, as posições de cada um dos seus átomos e suas interações, etapa importante no desenvolvimento de novos medicamentos.

Nesta área, o Sirius abrirá possibilidades de desvendar proteínas complexas, ainda não investigadas, além de proteínas como as quinases, que participam na regulação de processos celulares, e que por isso têm sido alvos importantes no tratamento de alguns cânceres, doenças inflamatórias e diabetes. Além disso, a técnica de cristalografia de proteínas com feixes de raio X micrométricos possibilitará avanços na compreensão das estruturas fundamentais do vírus HIV e de seu mecanismo de ação.

No Sirius, as técnicas de imagens com resolução espacial nanométrica poderão trazer enormes contribuições na análise de órgãos e tecidos. Imagens obtidas por contraste de fase permitirão a distinção de tecidos biológicos com contraste mil vezes melhor do que obtido hoje, podendo trazer grandes benefícios no estudo do câncer, por exemplo. Além disso, técnicas de tomografia por raios X moles e “tender” que estarão disponíveis no Sirius permitirão obter imagens de células com resolução suficiente para entender a estrutura de organelas.

No futuro, a combinação de técnicas de imagem por luz síncrotron e de cristalografia de proteínas permitirá ter uma visão global dos mecanismos de metabolismo celular, desde o nível atômico até o nível de tecido, com impacto científico inédito na área da saúde. Com o Sirius, o Brasil poderá participar e se tornar um dos líderes desta revolução científica, prevista para as próximas décadas.