Les rayons X source extrêmement brillants vont révolutionner la science

Une nouvelle façon de produire des faisceaux de rayons X puissants, les plus brillants de la Terre, permet désormais de créer des images 3D de la matière à des résolutions étonnantes. Cette «source extrêmement brillante» a officiellement ouvert ses portes le mois dernier à l’installation européenne de rayonnement synchrotron en France, et les scientifiques l’utilisent déjà pour étudier le coronavirus derrière le covid-19. Ces faisceaux de rayons X imageront les intérieurs de fossiles, de cerveaux, de batteries et d’innombrables autres objets intéressants jusqu’à l’échelle atomique, révélant des informations sans précédent et stimulant la recherche scientifique.

Une radiographie médicale typique, comme vous le feriez pour un os cassé, peut montrer aux médecins des détails sur votre fracture et les tissus qui l’entourent. Les rayons X pénètrent dans le corps et sont absorbés à des rythmes différents par différents tissus; une fois qu’ils vous ont traversé, ils ont heurté un détecteur, créant l’image radiographique en noir et blanc familière. La source extrêmement brillante produit des rayons X 10 trillions de fois plus puissants que ceux utilisés dans les hôpitaux. Avec un tel faisceau, les scientifiques pourraient créer une image 3D de votre os cassé si détaillée qu’ils pourraient voir les atomes individuels dans les cellules sanguines entourant votre fracture. Bien sûr, vous ne voudriez pas être frappé par ce faisceau particulier – la dose de rayonnement serait fatale.

Les possibilités offertes par Extremely Brilliant Source sont infinies. Un domaine qui passionne particulièrement Francesco Sette, directeur général de l’ESRF, est la recherche sur la structure et le fonctionnement du cerveau, qui pourrait éventuellement permettre une électronique de type cerveau. «Ce serait une révolution majeure, non seulement pour les neurosciences, mais aussi pour toutes les applications qui s’apprêtent à utiliser éventuellement l’architecture du cerveau humain pour une nouvelle génération d’appareils», a-t-il déclaré.

Grâce à l’imagerie par rayons X synchrotron, les ingénieurs peuvent obtenir des informations minutieuses sur les matériaux innovants, aidant des domaines tels que l’aéronautique et la nanoélectronique. Les paléontologues peuvent étudier les minuscules structures intérieures des fossiles sans avoir à détruire leurs échantillons. Cet été, certains des premiers chercheurs à avoir accès à la source extrêmement brillante l’ont utilisée pour imager les poumons complets des personnes décédées de la covid-19, et ils ont pu identifier des dommages auparavant invisibles causés par le virus au niveau microscopique.

Un synchrotron est simplement un accélérateur de particules qui utilise des champs magnétiques pour accélérer les électrons chargés à des énergies si élevées qu’ils émettent une lumière de rayons X, également connue sous le nom de lumière synchrotron. (Contrairement au grand collisionneur de hadrons, par exemple, les particules qui zippent autour d’une boucle synchrotron ne sont pas faites pour entrer en collision les unes avec les autres.) Les rayons X produits par les électrons à circulation rapide sont siphonnés hors de l’anneau accélérateur et dans 44 spécialisés. laboratoires, appelés lignes de lumière. Les chercheurs utilisent ensuite ces faisceaux pour imager leurs cibles. Au cours des dernières décennies, la science basée sur le synchrotron a été à l’origine de toutes sortes de percées, notamment en permettant aux chercheurs de voir à l’intérieur d’un oeuf de dinosaure non éclos et lire un livre ancien détruit par un volcan.

L’installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble, en France, fonctionne depuis 1994. L’itération précédente de sa source de rayons X était déjà la plus puissante au monde; La mise à niveau de cette année augmente sa puissance d’un facteur 100. L’installation a été fermée en décembre 2018 pour commencer la transition vers la source extrêmement brillante. Heureusement, la pandémie de covid-19 n’a pas retardé l’ouverture officielle le 25 août, car le projet se déroulait avec près de cinq mois d’avance sur le calendrier. Les chercheurs utilisent déjà les faisceaux, et les tout premiers résultats publiés de travaux récents au synchrotron devraient bientôt sortir, selon Sette.

Ce qui a rendu cette mise à niveau significative possible, c’est une nouvelle conception pour un réseau de 1 100 aimants qui entraînent les électrons autour de l’anneau rond de 844 mètres. Ces aimants accélèrent non seulement les électrons vers l’avant, mais leur donnent également de légers «coups de pied», changeant leur direction. Ces petits changements de direction sont la clé de la production des rayons X.

«Lorsque vous déviez la trajectoire d’une particule chargée, vous produisez de la lumière», a expliqué Sette. «Et cette lumière est ce que nous appelons la lumière synchrotron.»

C’est une question simple de la loi de conservation de l’énergie: lorsque vous pliez un faisceau d’électrons pour qu’il se déplace en boucle au lieu d’une ligne droite, les électrons perdent un peu d’énergie à chaque fois qu’ils changent de direction. Cette énergie perdue est sous forme de lumière. Pour que la lumière émise soit dans la plage de fréquences des rayons X, vous devez fournir un «coup de pied» magnétique plus puissant. La nouvelle conception du réseau magnétique permet de plier et de recentrer en continu le faisceau d’électrons, produisant de grandes quantités de rayons X à haute énergie sans nécessiter une installation d’anneau plus grande.

Un domaine qui pourrait être considérablement poussé en avant par la science synchrotron est l’histologie, l’étude microscopique des tissus. Aujourd’hui, les histologues étudient les tissus en les découpant en de nombreux échantillons extrêmement minces et en les colorant avec des colorants pour révéler des structures microscopiques. Avec l’imagerie synchrotron, les échantillons n’ont pas besoin d’être coupés et colorés; Les chercheurs peuvent les imaginer entiers, créant des scans 3D haute résolution qui en montrent bien plus sur leur anatomie.

«Cela a été surnommé« nano-histologie 3D », ce qui est un rêve pour le monde médical», a déclaré Sette. «Cela représente une révolution complète dans la pratique de l’histologie.»

Victor Gonzalez, chercheur postdoctoral au département des sciences du Rijksmuseum à Amsterdam, est un scientifique qui a effectué des recherches en utilisant la version précédente du synchrotron européen. Gonzalez utilise régulièrement l’imagerie synchrotron pour étudier des échantillons de peinture vieux de plusieurs siècles. Son travail a récemment révélé des détails sur le techniques de peinture de Rembrandt.

«Pour ma communauté de recherche, la mise à niveau de l’ESRF est très importante», a déclaré Gonzalez dans un e-mail. «Les nouvelles capacités d’analyse de pointe de l’installation nous permettront d’analyser des échantillons précieux plus rapidement que jamais. Une expérience qui a pris plusieurs jours auparavant sera désormais menée en un après-midi seulement! Pour nous, cela signifie une multitude de données soudainement disponibles, donc de nouvelles opportunités pour comprendre les mécanismes chimiques en jeu dans les couches de peinture historiques.

Maintenant que la source extrêmement brillante est opérationnelle, les scientifiques du monde entier peuvent demander du temps sur les lignes de lumière. C’est un processus concurrentiel – une demande de recherche doit passer par un examen par les pairs avant que les scientifiques aient accès au synchrotron. Mais avec la nouvelle mise à niveau, des expériences qui auraient pris des semaines peuvent désormais être réalisées en une journée; ce qui prenait autrefois une journée ne prendra que quelques minutes. Restez à l’écoute pour de nombreuses nouvelles sciences passionnantes dans les mois à venir.