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.

NOMES INUSITADOS


As Linhas de Luz do Sirius recebem seus nomes da Fauna, Flora e Cultura brasileiras.

Carnaúba

Nanoscopia de Raios X

Carnaúba (Coherent X-rAy NAnoprobe BeAmline) é uma linha de luz com múltiplas técnicas avançadas utilizando a absorção, espalhamento e emissão de raios X e combinando luz coerente com focalização nanométrica. Ela é a linha mais longa do Sirius, com 145 metros de distância entre a fonte de luz e o ambiente de amostra. Este comprimento é necessário para produzir uma alta demagnificação óptica e atingir um tamanho de foco de cerca de 30 nm.

 

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Carnaúba (Copernicia prunifera) é uma árvore endêmica do semiárido da Região Nordeste do Brasil. (Foto: Otávio Nogueira)

Paineira

Difração de Raios X em Policristais

Paineira (Powder Diffraction) será uma linha de luz otimizada para as técnicas de difração em policirstais, difração de monocristais e espectroscopia, visando principalmente a caracterização estrutural de materiais policristalinos (como cerâmicas, fármacos, minerais, óleo e gás, catalisadores, etc.). A técnica de difração de pó é complementar a técnica de micro e nanodifração, como a da linha Carnaúba.

 

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Paineira é o nome popular de diversas espécies do gênero Ceiba. (Foto: José Carlos Garcia)

Quati

Espectroscopia de Raios X com Resolução Temporal

Quati (QUick X-Ray Absorption Spectroscopy for TIme-Resolved experiments) será uma linha de luz dedicada a experimentos de espectroscopia de absorção de raios X de alta qualidade, nos modos de XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) e EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure), permitindo a realização de medidas na escala temporal de milisegundos.

 

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Quatis são mamíferos diurnais do gênero Nasua, comuns da América do Sul ao sul da América do Norte. (Foto: Domínio Público)

Ema

Espectroscopia e Difração de Raios X em Condições Extremas

A Linha de Luz EMA (Extreme condition x-ray Methods of Analysis) é projetada para fazer a diferença onde um alto brilho (alto fluxo de até \(1 \times 10^{14}\) fótons por segundo e tamanho de feixe de  beamsize até 0.1×0.1 \(\mu \rm m^{2}\)) é essencial, que é o caso para as pressões extremas, que exigem pequenos focos, e análises com resolução temporal, que requerem um elevado fluxo de fótons.

 

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Ema, Rhea americana, é uma ave que não voa, nativa da América do Sul. (Foto: Nino Barbieri)

Jatobá

Tomografia e Difração de Raios X de Alta Energia

Jatobá será uma linha de luz que cobrirá energias na faixa dos raios X de altas energias, o que permitirá uma grande penetração dos raios X em qualquer tipo de material, de centímetros em materiais como o aço a milímetros em materiais contendo chumbo.

 

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Jatobá é o nome popular de árvores do gênero Hymenaea L. comuns de toda América Latina e em especial da Floresta Amazônica. (Foto: Domínio Público)

Ingá

Espalhamento Inelástico de Raios X

Ingá será uma linha de luz que explorará a caracterização de materiais por espalhamento inelástico de raios X (IXS), em que há mudança de energia dos fótons espalhados nas interações com a matéria. A linha Ingá teve parte de seu programa científico original transferido para a linha de luz Ema. O projeto desta linha está em sendo reavaliado.

 

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Ingá é uma árvore do gênero Inga com centro de diversidade na floresta amazônica. (Foto: João Medeiros )

Mogno

Microtomografia de Raios X

Mogno (MicrO and NanO Tomography) será uma linha de luz dedicada à obtenção de imagens tridimensionais de materiais variados, de forma rápida, não invasiva, quantitativa e de alta resolução. No Sirius, os ganhos em energia, no fluxo na amostra e no tamanho da fonte levarão as análises por tomografia a um patamar mundialmente competitivo.

 

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Mogno, ou mogno-brasileiro é o nome popular da espécie Swietenia macrophylla encontrada na América do Sul e Central. ( Foto: Domínio Público )

Cateretê

Espalhamento Coerente de Raios X

Cateretê (Coherent And TimE REsolved ScatTEring) será uma linha de luz otimizada para realizar imagem por difração coerente de raios X (CDI) e espectroscopia de correlação de fótons por raios X (XPCS). Entre as suas aplicações, será possível investigar a dinâmica de fenômenos biológicos e de estruturas nanométricas nas áreas de óleo, catalisadores e polímeros, assim como na resolução de problemas das indústrias alimentícia, farmacêutica e cosmética.

 

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Cateretê, ou Catira, é uma dança rural brasileira. (Foto: Grupo de Dança Os Sarandeiros)

Sapucaia

Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos

Sapucaia (Small Angle X-Ray Scattering) será uma linha de luz dedicada ao espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) em solução. A técnica é complementar à cristalografia de proteínas, como da linha Manacá, e permite compreender mecanismos biológicos fundamentais por meio da determinação de estruturas complexas de proteínas, sem a necessidade de cristalização das macromoléculas.

 

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Sapucaia é o nome popular da espécie Lecythis pisonis comum da Floresta Amazônica e da Mata Atlântica. (Foto: Fernando Cunha )

Ipê

Espectroscopia de UV e Raios X Moles de Alta Resolução

Ipê (Inelastic and Photo-Electron spectroscopy ) será uma linha de luz que terá duas estações experimentais que permitirão modos complementares de espectroscopia, uma delas por fotoelétrons, o AP-XPS (do inglês, Ambient Pressure X-Ray Photoelectron Spectroscopy) e outra por espalhamento inelástico ressonante, o RIXS (do inglês, Resonant Inelastic X-Ray Scattering).

 

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Ipê é o nome popular de diversas espécies de árvores do gênero Handroanthus. (Foto: Domínio Público )

Sabiá

Especroscopia de Fotoemissão e Absorção de Raios X Moles de Alto Fluxo

Sabiá (Soft X-Ray ABsorption Spectroscopy and ImAging) será uma linha de luz que trabalhará na faixa de raios X moles utilizando onduladores com controle de polarização e monocromador de grades planas. As principais análises possíveis nesta linha serão especroscopia de fotoemissão e absorção de raios-X. Em particular será possível obter espectros de fotoemissão com resolução angular (ARPES, angular resolved photoemission spectroscopy) que é uma das mais poderosas técnicas experimentais para investigação da estrutura eletrônica de materiais.

 

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Sabiá (Mimosa caesalpinaefolia) é uma árvore encontrada nativamente na Região Nordeste e parte da Região Norte do Brasil, cultivada pela durabilidade de sua madeira. Sabiá também é o nome popular de diversas espécies de pássaros brasileiros do gênero Turdus, presente no mundo todo. (Foto: Claudio Oliveira Lima )

Imbuia

Micro e Nanoespectroscopia de Infravermelho

Imbúia (Infrared Micro and Nanospectroscopy Beamline) será uma linha de luz dedicada à experimentos de micro e nano-espectroscopia de infravermelho (IR) na faixa de IR médio. Esses experimentos permitem a análise composicional de praticamente qualquer material e são essenciais para a realização de pesquisa de fronteira em novos materiais, com especial ênfase em materiais orgânicos biológicos e sintéticos.

 

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Imbúia é o nome popular da espécie Ocotea porosa típica das florestas de araucárias da região sul do Brasil. (Foto: Domínio Público)

Manacá

Micro e Nanocristalografia Macromolecular

Manacá (MAcromolecular Micro and NAno CrystAllography) será a primeira linha de luz de cristalografia de macromoléculas do Sirius e será otimizada para focos micrométrico e sub-micrométrico. O projeto prevê duas estações experimentais, contemplando também feixes com dimensões de 20×5, 10×5 e 5×5 micrometros, dedicadas aos estudos das estruturas tridimensionais de macromoléculas, particularmente de arranjos complexos como vírus, proteínas de membrana e complexos de proteínas e ligantes.

 

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Manacá é o nome dado a árvores do gênero Tibouchina. É uma árvore pioneira da Mata Atlântica brasileira. (Foto: Mauro Guanandi)