Wykonano pierwszy „rentgen” pojedynczego atomu. To prawdziwy przełom

Zespół naukowców, któremu przewodził profesor fizyki Saw Wai Hla z Uniwersytetu Ohio wykonał pierwsze w historii rentegenowskie „zdjęcie” pojedynczego atomu, czyli zbadał pojedynczy atom i jego stan chemiczny. Oznacza, że od teraz badacze będą mogli badać materiały i ich chemiczne właściwości z jeszcze większą dokładnością, niż kiedykolwiek dotychczas.

Mikroskopy i ich limity

Fotografowanie atomów nie jest niczym nowym. Naukowcy rejestrują obrazy atomów od lat, z użyciem tak zwanych mikroskopów SPM (ang. Scanning Probe Microscope), czyli mikroskopów ze skanującą sondą. Są to mikroskopy, które wykorzystują naładowaną elektrycznie, bardzo cienką głowicę do skanowania powierzchni materiałów linia po linii, w maleńkiej skali dzięki kwantowo-mechanicznym interakcjom, które powodują przepływ elektronów miedzy głowicą a atomami na powierzchni materiału.

Problemem jest rozdzielczość zdjęć atomów i zakres informacji, które naukowa aparatura jest w stanie zebrać. Obserwacja atomów to jedno, ale naukowcy chcą też znać też stan chemiczny pojedynczych atomów. Do tego potrzebne jest promieniowanie rentgenowskie. Tymczasem, urządzenia wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie pozwalały póki co na zbieranie danych na temat próbek ważących nie mniej niż jeden attogram (jedna trylionowa grama), czyli z obszarów obejmujących nie mniej niż około 10 tysięcy atomów.

Osiągnięcie o niemałym znaczeniu

Aby obejść powyższy problem, zespół naukowców z Ohio umieścił pojedyncze atomy żelaza i terbu w macierzy tak zwanych supercząstek, tworzących pierścienie. Aby wykryć sygnał rentgenowski pojedynczego atomu, zespół badaczy uzupełnił konwencjonalne detektory promieniowania rentgenowskiego o wyspecjalizowany detektor wykonany z ostrej metalowej końcówki umieszczonej bardzo blisko próbki w celu zbierania elektronów wzbudzonych promieniowaniem rentgenowskim.

Naukowcy z Ohio zdołali przy pomocy promieniowania rentgenowskiego zbadać stan chemiczny pojedynczego atomu. | Źródło: Uniwersytet Ohio

Innymi słowy wykorzystano technikę synchrotronowej rentgenowskiej skaningowej mikroskopii tunelowej (SX-STM). SX-STM pozwoliła zarejestrować rentgenowskie widmo, które pokazuje, jak promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez wzbudzone elektrony na poziomie rdzenia. Mówiąc najprościej, ta fotoabsorbcja jest odciskiem palca pojedynczych atomów żelaza i terbu wyraźnie oddzielonych od pozostałych atomów w pobliżu. Naukowcy w końcu zdołali więc zbadać stan chemiczny tych pojedynczych atomów.

„Atomy można rutynowo obrazować za pomocą mikroskopów z sondami skanującymi (SPM), ale bez promieni rentgenowskich nie można stwierdzić, co to za atomy. Teraz możemy dokładnie wykrywać określony typ atomu, po jednym atomie na raz i jednocześnie oznaczać jego stan chemiczny.” – wyjaśnił Hla, „Skoro jesteśmy w stanie to robić, będziemy mogli badać materiały aż do ostatecznej granicy zaledwie jednego atomu. Wywrze to wielki wpływ na naukę o środowisku i medycynę, może nawet pozwoli znaleźć lekarstwo, które będzie miało ogromny wpływ na ludzkość. To odkrycie zmieni świat.”

Oczywiście na skutki, o których mówią naukowcy, musimy jeszcze poczekać. Badacze opublikowali pracę poświęconą swojemu dokonaniu w czasopiśmie Nature.

Źródło: Uniwersytet Ohio, fot. tyt. Canva