Tím vedcov z Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago a ďalších, vedený profesorom fyziky Ohio University a vedcom Argonne National Laboratory Saw Wai Hla, získal prvý röntgenový signál (alebo podpis) na svete. len jeden atóm. Tento priekopnícky úspech by mohol spôsobiť revolúciu v spôsobe, akým vedci objavujú materiály.

Od jeho objavenia Roentgenom v roku 1895 sa röntgenové lúče používajú všade, od lekárskych kontrol až po bezpečnostné kontroly na letiskách. Dokonca aj Curiosity, Mars rover NASA, je vybavený röntgenovým prístrojom na skúmanie materiálového zloženia hornín na Marse. Dôležitým využitím röntgenových lúčov vo vede je určenie typu materiálu vo vzorke. V priebehu rokov sa množstvo materiálu vo vzorke potrebné na detekciu röntgenového žiarenia výrazne znížilo vďaka vývoju synchrotrónových zdrojov röntgenového žiarenia a nových prístrojov. K dnešnému dňu je najmenšie množstvo, ktoré môže jednotlivec röntgenovať, v autograme, približne 10 000 atómov alebo viac. Je to preto, že röntgenový signál produkovaný atómom je príliš slabý na to, aby ho na jeho detekciu použili bežné röntgenové detektory. Podľa Hla je dlhoročným snom vedcov röntgenovať jeden atóm, čo teraz realizuje výskumný tím, ktorý vedie.

„Atómy sa dajú bežne zobrazovať mikroskopmi so skenovacou sondou, ale bez röntgenových lúčov sa nedá povedať, z čoho sú vyrobené. Teraz vieme presne zistiť, aký typ atómu je konkrétny atóm, jeden po druhom a môžeme to zmerať,“ vysvetlil Hla, ktorý je zároveň riaditeľom Inštitútu pre fenomenológiu. Nanočastice a kvantá na Ohio University „jeho chemický stav.“ atóm. To bude mať obrovský vplyv na environmentálne a lekárske vedy a môže dokonca nájsť liek, ktorý by mohol mať obrovský vplyv na ľudskú rasu. Tento objav zmení svet.“

Ich článok bol publikovaný vo vedeckom časopise prírody dňa 31. mája 2023 a zdobí obálku tlačeného vydania vedeckého časopisu z 1. júna 2023, v ktorom sú podrobne opísané How Hala a niekoľko ďalších fyzikov a chemikov, vrátane Ph.D. Študenti na OHIO použili účelovo skonštruovaný synchrotrónový röntgenový prístroj na lúči XTIP v Centre pre pokročilé fotónové zdroje a nanomateriály v Argonne National Laboratory.

Na ilustráciu si tím vybral atóm železa a atóm terbia, pričom oba boli vložené do dvoch molekulárnych hostiteľov. Na detekciu röntgenového signálu jedného atómu výskumný tím doplnil konvenčné röntgenové detektory špecializovaným detektorom vyrobeným z ostrého kovového hrotu, ktorý bol umiestnený veľmi blízko vzorky na zber elektrónov excitovaných röntgenovým žiarením – a technika známa ako synchrotrónová röntgenová tunelovacia mikroskopia alebo SX-STM. Röntgenová spektroskopia v SX-STM je poháňaná fotoabsorpciou elektrónov na úrovni jadra, ktoré tvoria odtlačky prstov a sú účinné pri priamej identifikácii elementárneho typu materiálov.

Podľa Hla sú spektrá ako odtlačky prstov, každé je jedinečné a dokáže presne rozpoznať, čo to je.

„Použitá technika a koncept demonštrovaný v tejto štúdii otvorili nové obzory v röntgenovej vede a štúdiách nanometrov,“ povedal Tololop Michael Ajayi, prvý autor článku, ktorý robil prácu ako súčasť svojej dizertačnej práce. diplomovej práce. A čo viac, použitie röntgenových lúčov na detekciu a charakterizáciu jednotlivých atómov by mohlo spôsobiť revolúciu vo výskume a vytvoriť nové technológie v oblastiach, ako sú kvantitatívne informácie a detekcia stopových prvkov v environmentálnom a lekárskom výskume. Tento úspech tiež otvára cestu pre pokročilé zariadenia na vedu o materiáloch…“

Počas posledných 12 rokov sa Hla podieľala na vývoji prístroja SX-STM a jeho meracích metód spolu s Volkerom Roseom, vedcom z Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory.

„V priebehu 12 rokov som bol schopný úspešne viesť štyroch postgraduálnych študentov OHIO na doktorandské práce súvisiace s vývojom metódy SX-STM. Prešli sme dlhú cestu k dosiahnutiu jednoatómovej röntgenovej detekcie,“ Hala povedal.

Štúdium Hla sa zameriava na nano a kvantové vedy s osobitným zameraním na pochopenie chemických a fyzikálnych vlastností materiálov na najzákladnejšej úrovni – na základe jednotlivého atómu. Okrem dosiahnutia röntgenového podpisu jedného atómu bolo hlavným cieľom tímu použiť túto techniku ​​na skúmanie vplyvu na životné prostredie na jeden atóm vzácnych zemín.

„Objavili sme aj chemické stavy jednotlivých atómov,“ vysvetlil Hla. „Porovnaním chemických stavov atómu železa a atómu terbia v rámci ich príslušných molekulárnych hostiteľov zistíme, že atóm terbia, kov vzácnych zemín, je dosť izolovaný a nemení svoj chemický stav, zatiaľ čo atóm železa silne interaguje s atómami. v jeho okolí“.

Mnohé materiály vzácnych zemín sa používajú v každodenných zariadeniach, ako sú mobilné telefóny, počítače a televízory, aby sme vymenovali aspoň niektoré, a sú mimoriadne dôležité pri vytváraní a vývoji technológie. Vďaka tomuto objavu môžu vedci teraz určiť nielen typ prvku, ale aj jeho chemický stav, čo im umožní lepšie manipulovať s atómami v rôznych materiálnych hostiteľoch, aby uspokojili neustále sa meniace potreby v rôznych oblastiach. Okrem toho vyvinuli aj novú metódu nazývanú „rontgenové excitačné rezonančné tunelovanie alebo X-ERT“, ktorá im umožňuje zistiť, ako sú orbitály jednej molekuly na povrchu materiálu orientované pomocou synchrotrónového röntgenového žiarenia.

„Tento úspech spája synchrotrónové röntgenové lúče s procesom kvantového tunelovania na detekciu röntgenového podpisu jedného atómu a otvára mnoho vzrušujúcich výskumných smerov vrátane hľadania kvantových a spinových (magnetických) vlastností jedného atómu iba pomocou synchrotrónu X. -lúče,“ povedala Hla.

Okrem Ajayiho, mnoho ďalších postgraduálnych študentov z OHIO vrátane súčasných Ph.D. študenti Sineth Premarathna z fyziky a Xinyue Cheng z chémie, ako aj Ph.D. Na tomto výskume sa podieľali absolventi fyziky Sanjoy Sarkar, Chauz Wang, Kyaw Zhen Lat, Thomas Rojas a Ann T. Ngo, ktorá je v súčasnosti docentkou chemického inžinierstva na University of Illinois-Chicago. Predseda Roenigk College of Arts and Sciences a profesor chémie Eric Masson navrhol a syntetizoval molekulu vzácnych zemín použitú v tejto štúdii.

V budúcnosti bude Hla a jeho výskumný tím pokračovať v používaní röntgenových lúčov na objavovanie vlastností iba jedného atómu a nájdenie spôsobov, ako zmeniť ich aplikácie na použitie pri zbere kritických materiálov a ďalších.