Projetada para alcançar resoluções da ordem de 1 nanômetro, a estação Sapoti da linha de luz Carnaúba combina criogenia, ultra-alto vácuo e engenharia mecatrônica de ponta para revelar estruturas na escala atômica
A Sapoti (Scanning Analysis by PtychO for Tomographic Imaging) é uma das duas estações experimentais da linha de luz Carnaúba, no Sirius. A instalação é uma das estações mais sofisticadas e desafiadoras já desenvolvidas no acelerador brasileiro. Seu objetivo é alcançar resoluções da ordem de 1 nanômetro em imageamento e tomografia de raios X coerentes, um desempenho que a coloca entre os instrumentos de maior precisão do mundo em microscopia baseada em luz síncrotron.
As estações experimentais da linha de luz Carnaúba
A Carnaúba, que opera na faixa de energia de 2,05 a 15 keV, foi projetada para a realização de medidas simultâneas com múltiplas técnicas analíticas de raios X, incluindo difração, espectroscopia, fluorescência e luminescência, além de imageamento em duas e três dimensões. É a linha mais longa do Sirius e utiliza um feixe altamente brilhante proveniente de um ondulador, explorando todo o potencial de coerência e intensidade que uma fonte de luz síncrotron de quarta geração pode fornecer.
Parte da infraestrutura da linha de luz Carnaúba, no Sirius. A linha conta com duas estações experimentais, localizadas a 136 e 142 m da fonte de raios X, um ondulador de polarização vertical.
Sua infraestrutura abriga duas estações experimentais complementares. A estação Tarumã foi projetada para experimentos in situ, in vivo (com plantas) e em condições criogênicas, operando em ambiente aberto e com alta flexibilidade para diferentes tipos de amostras. Já a Sapoti opera em ultra-alto vácuo e também em condições criogênicas, o que garante ainda maior estabilidade térmica e mecânica, levando a melhores resoluções espaciais, além de melhores condições para experimentos no limite inferior de energia.
A estação experimental Sapoti faz parte da linha de luz Carnaúba do Sirius e será capaz de atingir resoluções de até 1 nanômetro em experimentos de imageamento com raios X.
Desde sua concepção, iniciada em 2018, a estação Sapoti foi projetada para ultrapassar os limites tradicionais de resolução em nanoprobes — sistemas que focalizam raios X em pontos nanométricos para mapear propriedades de materiais com altíssima precisão — de fontes de luz síncrotron. Para isso, foram combinadas soluções avançadas em óptica e mecatrônica de alta complexidade. O feixe de raios X, com energias de 2,05 a 15 keV, é focalizado por um conjunto de espelhos do tipo Kirkpatrick–Baez (KB), capazes de produzir feixes de raios X totalmente coerentes com tamanho entre 30 e 140 nanômetros.
Diferente de outros sistemas que utilizam elementos refrativos, os espelhos KB apresentam maior eficiência e insensibilidade a mudanças de energia do feixe, o que é importante para experimentos de espectroscopia, mas, por outro lado, possuem maiores exigências mecânicas, um desafio superado por meio de soluções desenvolvidas no próprio LNLS, aplicando princípios avançados de engenharia de precisão.
Segundo Renan Geraldes, engenheiro físico e líder do grupo de Mecatrônica e Engenharia de Precisão do LNLS/CNPEM, o desenvolvimento da Sapoti também foi um exercício de inovação e aprendizado contínuo. “Desde o início já era esperado que a Sapoti fosse uma das estações com os maiores desafios técnicos que a gente teria que desenvolver. Foi um projeto que extraiu o máximo das nossas ferramentas de mecatrônica de precisão, engenharia de sistemas e design preditivo. O vácuo, a criogenia, a óptica, a transferência e posicionamento de amostras — era preciso compatibilizar tudo isso.”
Os desafios técnicos superados pela estação Sapoti
A estação experimental Sapoti conta com um avançado estágio de posicionamento da amostra, um sistema mecatrônico de arquitetura inovadora desenvolvido em colaboração com a empresa holandesa MI-Partners. Inspirado em tecnologias usadas na indústria de semicondutores, o estágio utiliza atuadores de Lorentz em vez de piezoelétricos convencionais, o que permite combinar resolução nanométrica com amplitude de movimento milimétrica. Essa abordagem possibilita navegar com precisão de 1 nm ao longo de trajetórias tridimensionais com alcance de até 3 mm, algo inédito em nanoprobes de raios X.
A Sapoti é uma estação totalmente operada em vácuo, na qual os espelhos KB, a amostra e parte dos detectores compartilham a mesma câmara. Essa configuração garante uma melhoria na estabilidade dos componentes, garantindo maior rigidez e precisão no alinhamento, e a redução de perdas por absorção em energias mais baixas.
A estação também é capaz de operar sob temperaturas criogênicas controladas, entre 100 e 300 K, condições que não apenas ajudam a mitigar danos por radiação, mas também permitem o estudo de amostras biológicas congeladas e materiais sensíveis. Para isso, a Sapoti conta com um sistema de criogenia integrado ao estágio, dotado deum módulo de carregamento criogênico com sistema de transferência em vácuo, que possibilita a inserção e manipulação das amostras sem exposição ao ar, preservando suas propriedades físicas e químicas desde a preparação até a aquisição dos dados.
Porta-amostras CARPIN, padrão da linha Carnaúba, projetado para acomodar diferentes tipos de amostras em experimentos de micro e nanoscopia no Sirius.
Para garantir versatilidade na manipulação de diferentes tipos de amostras, a Sapoti utiliza um porta-amostras padrão desenvolvido especialmente para a linha Carnaúba, denominado CARPIN (CARnaúba PIN). Inspirado no sistema OMNY PIN, empregado na linha cSAXS do Swiss Light Source (SLS), o CARPIN foi concebido como uma interface universal capaz de acomodar amostras com dimensões que variam de micrômetros a poucos milímetros, incluindo amostras sólidas, líquidos, pastas, pós, grades de microscopia eletrônica e membranas finas. Essa flexibilidade favorece o intercâmbio de amostras entre diferentes linhas de luz do Sirius ou mesmo outros síncrotrons, ampliando as possibilidades de experimentos complementares ou colaborativos.
A montagem da Sapoti envolveu uma série de etapas de integração complexas. Os primeiros testes com o sistema no primeiro semestre de 2025 mostraram resultados promissores. “Mesmo em fase inicial de comissionamento, a Sapoti atingiu estabilidade de posição de cerca de 3 nanômetros, já permitindo a obtenção de imagens com resolução estimada de 5.5 nanômetros, desempenho superior ao alcançado pela Tarumã, mesmo após alguns anos de operação. À medida que o sistema avança em calibração e ajustes finos, espera-se atingir o limite projetado de 1 nanômetro, consolidando a Sapoti entre as estações experimentais mais avançadas do mundo em microscopia de raios X coerentes.”, destaca Renan.
Integração com novo ondulador de polarização vertical
Ondulador de polarização vertical da linha de luz Carnaúba instalado no anel de armazenamento do Sirius.
Em 2025, a Carnaúba passou a operar com um novo ondulador de polarização vertical (VPU), um avanço estrutural que amplia de forma significativa o conjunto de experimentos atendidos pela linha. O novo dispositivo permite acessar energias abaixo de 6 keV, abrindo caminho para a obtenção de espectros de elementos leves — como V, Ti, Ca, S e P — e fortalecendo aplicações em áreas como semicondutores, ciências do solo, agricultura, biomateriais, geociências e estudos ambientais. Com maior brilho em baixas energias e excelente coerência, o VPU também aumenta o contraste em imageamento coerente de tecidos biológicos, revelando estruturas subcelulares pouco exploradas em energias mais altas.
Segundo o coordenador da linha, Rodrigo Szostak, “a instalação do novo ondulador nos permite investigar amostras com elementos mais leves e de amplo interesse em várias áreas do conhecimento. Combinar essa ampliação da faixa espectral às características intrínsecas da Carnaúba faz com que essa infraestrutura se torne uma ferramenta poderosa e sem precedentes para estudos em agro e geociências, ciências do solo, meio ambiente e materiais.” Os primeiros testes já validaram medidas de elementos químicos em amostras padrão, e os experimentos completos nessa nova faixa de energia estão previstos para o próximo ano.
Há também um aspecto estratégico importante: pouquíssimas linhas de luz de micro e nanoscopia em síncrotrons de 3ª e 4ª geração operam com boa performance abaixo de 6 keV, o que coloca a Carnaúba em posição singular no cenário internacional. “Será uma janela de oportunidades para pesquisadores idealizarem e realizarem novos experimentos que aproveitem todo o potencial das linhas de luz do Sirius”, afirma Szostak.
Com sua combinação de alta estabilidade, criogenia, vácuo e controle mecatrônico de última geração, a Sapoti representa um salto tecnológico e científico para o Sirius e para o Brasil, abrindo caminho para novas fronteiras em nanociência, biologia estrutural e ciência dos materiais.
Sobre o CNPEM
O Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) abriga um ambiente científico de fronteira, multiusuário e multidisciplinar, com ações em diferentes frentes do Sistema Nacional de CT&I. Organização Social supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), o CNPEM é impulsionado por pesquisas que impactam as áreas de saúde, energia, materiais renováveis e sustentabilidade. Responsável pelo Sirius, maior equipamento científico já construído no País. O CNPEM hoje desenvolve o projeto Orion, complexo laboratorial para pesquisas avançadas em patógenos. Equipes altamente especializadas em ciência e engenharia, infraestruturas sofisticadas abertas à comunidade científica, linhas estratégicas de investigação, projetos inovadores com o setor produtivo e formação de pesquisadores e estudantes compõem os pilares da atuação deste centro único no País, capaz de atuar como ponte entre conhecimento e inovação. As atividades de pesquisa e desenvolvimento do CNPEM são realizadas por seus Laboratórios Nacionais de: Luz Síncrotron (LNLS), Biociências (LNBio), Nanotecnologia (LNNano) e Biorrenováveis (LNBR), além de sua unidade de Tecnologia (DAT) e da Ilum Escola de Ciência, curso de bacharelado em Ciência e Tecnologia, com apoio do Ministério da Educação (MEC).
