Вчені опублікували перший у світі рентгенівський знімок одного атома

Команда вчених з Університету Огайо, Аргонської національної лабораторії, Університету Іллінойсу-Чикаго та інших під керівництвом професора фізики Університету Огайо та вченого Аргонської національної лабораторії Со Вай Хла зробили перший у світі рентгенівський СИГНАЛ лише одного атома. Це новаторське досягнення може революціонізувати спосіб виявлення вченими матеріалів, повідомляє Phys.org.

З моменту відкриття Рентгеном у 1895 році рентгенівські промені використовувалися всюди, від медичних оглядів до перевірок безпеки в аеропортах. Навіть Curiosity, марсохід NASA, обладнаний рентгенівським пристроєм для дослідження складу матеріалів гірських порід на Марсі. Важливим використанням рентгенівських променів у науці є визначення типу матеріалів у зразку. Протягом багатьох років кількість матеріалів у зразку, необхідних для детектування рентгенівського випромінювання, значно зменшилася завдяки розробці джерел синхротронного рентгенівського випромінювання та нових інструментів. На сьогоднішній день найменша кількість, яку можна рентгеноскопіювати в зразку, знаходиться в аттограмі, тобто близько 10 000 атомів або більше. Це пов’язано з тим, що рентгенівський сигнал, створений атомом, надзвичайно слабкий, тому звичайні детектори рентгенівського випромінювання не можуть бути використані для його виявлення. За словами Hla,

«Атоми можна регулярно знімати за допомогою скануючих зондових мікроскопів, але без рентгенівського випромінювання неможливо визначити, з чого вони складаються. Тепер ми можемо точно визначити тип конкретного атома, по одному атому за раз, і можемо одночасно вимірювати його хімічний стан», — пояснив Хла, який також є директором Інституту нанорозмірних і квантових явищ в Університеті Огайо. «Коли ми зможемо це зробити, ми зможемо простежити матеріали до кінцевої межі лише в один атом. Це матиме великий вплив на екологічні та медичні науки і, можливо, навіть знайде ліки, які можуть мати величезний вплив на людство. відкриття змінить світ».

У їхній статті, опублікованій у науковому журналі Nature 31 травня 2023 року та опублікованій на обкладинці друкованої версії наукового журналу 1 червня 2023 року, докладно розповідається про те, як Хла та кілька інших фізиків і хіміків, включаючи доктора філософії. студенти в Огайо використовували спеціально сконструйований синхротронний рентгенівський прилад на лінії променя XTIP Advanced Photon Source і Центрі нанорозмірних матеріалів Аргонської національної лабораторії.

Для демонстрації команда вибрала атом заліза та атом тербію, обидва вставлені у відповідні молекулярні хости. Щоб виявити рентгенівський сигнал одного атома, дослідницька група доповнила звичайні детектори рентгенівського випромінювання спеціальним детектором, виготовленим із гострого металевого наконечника, розташованого дуже близько до зразка, для збору збуджених рентгенівськими променями електронів — метод, відомий як синхротрон. Рентгенівська скануюча тунельна мікроскопія або SX-STM. Рентгенівська спектроскопія в SX-STM ініціюється фотопоглинанням електронів основного рівня, що становить елементарні відбитки пальців і ефективно ідентифікує елементарний тип матеріалів.

За словами Hla, спектри схожі на відбитки пальців, кожен з них унікальний і здатний точно визначити, що це таке.

«Використана техніка та концепція, підтверджена в цьому дослідженні, відкрили новий шлях у рентгенівській науці та нанорозмірних дослідженнях», — сказав Толулопе Майкл Аджаї, який є першим автором статті та виконує цю роботу як частину свого доктора філософії. теза. «Більше того, використання рентгенівського випромінювання для виявлення та характеристики окремих атомів могло б революціонізувати дослідження та дати початок новим технологіям у таких сферах, як квантова інформація та виявлення мікроелементів у екологічних та медичних дослідженнях, щоб назвати декілька. Це досягнення також відкриває дорога передових приладів для матеріалознавства».

Протягом останніх 12 років Hla брав участь у розробці інструменту SX-STM та його методів вимірювання разом з Фолькером Роузом, науковцем з Advanced Photon Source Аргонської національної лабораторії.

«Мені вдалося успішно керувати чотирма аспірантами зі штату Огайо для їх докторських дисертацій, пов’язаних із розробкою методу SX-STM протягом 12 років. Ми пройшли довгий шлях, щоб досягти виявлення рентгенівського випромінювання одного атома підпис», — сказав Хла.

Дослідження Hla зосереджено на нано-та квантових науках з особливим акцентом на розумінні хімічних і фізичних властивостей матеріалів на фундаментальному рівні — на основі окремого атома. На додаток до отримання рентгенівської сигнатури одного атома, ключовою метою команди було використання цієї методики для дослідження впливу навколишнього середовища на один атом рідкоземельного металу.

«Ми також виявили хімічні стани окремих атомів», — пояснив Хла. «Порівнюючи хімічні стани атома заліза та атома тербію всередині відповідних молекулярних хазяїв, ми виявили, що атом тербію, рідкоземельного металу, досить ізольований і не змінює свого хімічного стану, тоді як атом заліза сильно взаємодіє з його оточуючих».

Багато рідкоземельних матеріалів використовуються в повсякденних пристроях, таких як стільникові телефони, комп’ютери та телевізори, і є надзвичайно важливими для створення та розвитку технологій. Завдяки цьому відкриттю вчені тепер можуть визначити не лише тип елемента, але і його хімічний стан, що дозволить їм краще маніпулювати атомами всередині різних матеріалів-хозяїв, щоб задовольнити постійно мінливі потреби в різних сферах. Крім того, вони також розробили новий метод під назвою «рентгенівське збуджене резонансне тунелювання» або X-ERT, який дозволяє їм виявити, як орбіталі однієї молекули орієнтуються на поверхні матеріалу за допомогою синхротронного рентгенівського випромінювання.