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China avança na pesquisa científica com instalação de raios x síncrotron de próxima geração

Luz síncrotron é uma radiação eletromagnética extremamente brilhante que abrange desde o infravermelho até os raios X, produzida quando elétrons são acelerados a velocidades próximas à da luz e desviados por campos magnéticos em uma trajetória circular.

A China está prestes a inaugurar uma das mais avançadas instalações de raios X síncrotron do mundo, prometendo revolucionar a pesquisa científica e tecnológica. A Fonte de Fótons de Alta Energia (HEPS), um projeto de 4,8 bilhões de yuans (R$ 3,4 bilhões), será a primeira desse tipo na Ásia, posicionando a China entre os poucos países que possuem fontes de luz síncrotron de quarta geração.


Luz síncrotron é uma radiação eletromagnética extremamente brilhante que abrange desde o infravermelho até os raios X, produzida quando elétrons são acelerados a velocidades próximas à da luz e desviados por campos magnéticos em uma trajetória circular. Esse processo ocorre em grandes instalações chamadas aceleradores de partículas ou síncrotrons.


Primeiramente, elétrons são acelerados a altas energias e injetados em um anel de armazenamento circular, onde poderosos ímãs os mantêm em uma trajetória curva. Ao serem forçados a mudar de direção, os elétrons emitem radiação eletromagnética, conhecida como luz síncrotron, que é então direcionada para diversas estações de trabalho.

A luz síncrotron se destaca por seu brilho intenso, sendo milhões de vezes mais brilhante que fontes convencionais de luz, o que permite observações detalhadas de materiais e estruturas biológicas. Além disso, cobre um amplo espectro de radiação e é altamente coerente e polarizada, facilitando estudos detalhados das propriedades de materiais e moléculas.


Essa luz possui uma vasta gama de aplicações, incluindo a determinação da estrutura tridimensional de proteínas e outras biomoléculas na biologia estrutural, o estudo das propriedades físicas e químicas dos materiais na ciência dos materiais, e a investigação das propriedades fundamentais da matéria na física e química. Na geologia e arqueologia, permite a análise de fósseis, minerais e artefatos sem danificar as amostras.


"Será certamente uma instalação de última geração que irá servir uma ciência de excelência", afirma Pedro Fernandes Tavares, físico e diretor da divisão de aceleradores do Laboratório MAX IV na Suécia, uma das poucas instalações comparáveis ao HEPS em termos de brilho.


Localizada em Huairou, cerca de 50 km do centro de Pequim, a instalação circular do HEPS está em fase final de construção. Pesquisadores estão ajustando milhares de componentes para criar uma fonte de luz capaz de penetrar profundamente nas amostras, revelando suas estruturas moleculares e atômicas em tempo real. A expectativa é que o sistema de câmara de vácuo, crucial para manter o brilho e a estabilidade da luz, esteja instalado até o final de junho.


Capacidades sem precedentes


O HEPS, com uma circunferência de 1,36 km, acelerará elétrons até energias de 6 gigaeletron-volts, produzindo raios X de alta energia que podem sondar amostras em escalas nanométricas. A resolução temporal da instalação será 10.000 vezes superior à dos síncrotrons de terceira geração, permitindo medições em nanossegundos. "Isto permitirá aos investigadores fazer medições em centenas de nanossegundos em vez de milissegundos", explica Ye Tao, cientista do Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) da Academia Chinesa de Ciências.


Quando a instalação for aberta aos pesquisadores em 2025, oferecerá 14 linhas de luz para experimentos em biomedicina, energia, materiais avançados e física da matéria condensada. Eventualmente, o HEPS poderá acomodar até 90 linhas de luz, impactando praticamente todas as áreas científicas.


Impacto na pesquisa biomédica


Para determinar a estrutura atômica das proteínas, os pesquisadores geralmente precisam transformar moléculas em estruturas cristalinas ordenadas, algo difícil de realizar com síncrotrons mais antigos. "Os raios X fortes do HEPS serão poderosos o suficiente para analisar até as amostras mais minúsculas", diz Tavares. A nova instalação permitirá a realização de experimentos complexos em menos tempo e com maior precisão.


Competição global


Atualmente, cerca de 70 síncrotrons estão em operação ou em construção ao redor do mundo, mas apenas alguns pertencem à quarta geração, que produz a luz mais brilhante e focada. Entre eles estão o Laboratório MAX IV na Suécia, Sirius no Brasil, a Fonte Extremamente Brilhante da Instalação Europeia de Radiação Síncrotron (ESRF), na França, e a Fonte Avançada de Fótons (APS) nos EUA.


O HEPS, construído do zero, exigiu um acelerador muito maior do que qualquer outro já disponível na China. "Instalações de quarta geração, como o HEPS, dependem de uma rede acromática multicurvatura para gerar feixes de raios X mais estreitos e brilhantes", explica Harry Westfahl Jr., diretor do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (Sirius) no Brasil.


Atualmente, os pesquisadores estão focados em garantir a estabilidade do feixe de raios X do HEPS, um processo que requer ajustes meticulosos. "Nenhum feixe é perfeito no início", comenta Yuhui Li, vice-gerente do HEPS.


Com a inauguração prevista para 2025, a Fonte de Fótons de Alta Energia promete transformar a pesquisa científica na China e em outros países, oferecendo novas possibilidades para a compreensão das propriedades da matéria e o desenvolvimento de novos materiais.

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