За първи път в света заснемат рентгенов сигнал (или сигнатура) само на един атом. Това постижение може да доведе до революция в начина, по който учените откриват нови материали.
Постижението е на екип учени от Университета на Охайо, Аргоновата национална лаборатория, Университета на Илинойс-Чикаго и други, ръководен от професора по физика от Университета на Охайо и учен от Аргоновата национална лаборатория Соу-Вай Хла (Saw Wai Hla).
След откриването на рентгеновите лъчи от Рьонтген през 1895 г. те се използват навсякъде - от медицински прегледи до проверки за сигурност на летищата. Дори Curiosity, марсоходът на НАСА, е оборудван с рентгеново устройство, за да изследва материалния състав на скалите на Марс. Важна употреба на рентгеновите лъчи в науката е да се определи видът на материалите в дадена проба. С течение на годините количеството на материалите в пробата, необходимо за определяне на рентгенови лъчи, значително е намаляло благодарение на разработването на синхротронни източници на рентгенови лъчи и нови инструменти. Към днешна дата най-малкото количество, което може да се изследва с рентгеновите лъчи, е проба от порядъка на аттограм (10−18 грама), т.е. около 10 000 атома или повече. Причината е, че рентгеновият сигнал, произвеждан от един атом, е изключително слаб, така че конвенционалните рентгенови детектори не могат да бъдат използвани за откриването му. Според Хла отдавнашна мечта на учените е да облъчат с рентгенова светлина само един атом, която сега се осъществява от ръководения от него изследователски екип.
"Атомите могат да се изобразяват рутинно с микроскопи със сканираща сонда, но без рентгенови лъчи не може да се каже от какво са изградени. Сега можем да определим точно вида на даден атом, един по един, и едновременно с това да измерим химическото му състояние", обяснява Хла, който е и директор на Института за наноразмерни и квантови явления към Университета в Охайо. "След като успеем да направим това, ще можем да проследим материалите до крайната граница на само един атом. Това ще окаже голямо влияние върху науките за околната среда и медицината и може би дори ще намерим лекарство, което може да има огромно значение за човечеството. Това откритие ще преобрази света."
В статията им, публикувана в научното списание Nature на 31 май 2023 г. и е на корицата на печатната версия на научното списание на 1 юни 2023 г., се описва подробно как Хла и няколко други физици и химици, включително докторанти от Университета на Охайо, използват специално създаден синхротронен рентгенов уред в лъчевата линия XTIP на Advanced Photon Source и Центъра за наноразмерни материали в Аргоновата национална лаборатория.
За демонстрация екипът избира атоми на желязо и тербий, които са поставени в съответните молекулни носители. За да открие рентгеновия сигнал на единичен атом, изследователският екип допълва конвенционалните детектори на рентгенови лъчи със специализиран детектор, изработен с остър метален връх, разположен в изключителна близост до пробата, за да събира рентгеново възбудени електрони - техника, известна като синхротронна рентгенова сканираща тунелна микроскопия или SX-STM. (вж "Как се преминава през стени в квантовия свят") Рентгеновата спектроскопия в SX-STM се задейства от фотоабсорбцията на електроните от ядрено ниво, които представляват пръстови отпечатъци на елементите и са ефективни при директното идентифициране на елементарния тип на материалите.
Клип, илюстриращ понятието за тунелиране и как то се прилага в сканиращия тунелен микроскоп (STM). Публикувано от Jan Jensen, Университет в Копенхаген.
Според Хла спектрите са като пръстови отпечатъци, като всеки от тях е уникален и може да се открие точно какъв е.
"Използваната техника и концепцията, доказана в това изследване, открива нови хоризонти в рентгенологията и наноразмерните изследвания", казва Толулопе Майкъл Аджайи (Tolulope Michael Ajayi), който е първи автор на статията и извършва тази работа като част от докторската си дисертация. "Нещо повече, използването на рентгенови лъчи за откриване и характеризиране на отделни атоми може да доведе до революция в научните изследвания и да даде началото на нови технологии в области като квантовата информация и откриването на микроелементи в екологичните и медицинските изследвания, и др. Това постижение също така открива пътя за усъвършенствани инструменти в областта на материалознанието."
(Вляво) Изображение на пръстеновидна супермолекула, в която в целия пръстен присъства само един атом Fe. (Вдясно) Рентгенова сигнатура на само един атом Fe. Кредит: Saw-Wai Hla
През последните 12 години Хла участва в разработването на инструмента SX-STM и неговите методи за измерване.
"За период от 12 години успях успешно да ръководя четирима дипломанти от Университета на Охайо за техните докторски дисертации, свързани с разработването на метода SX-STM. Извървяхме дълъг път, за да постигнем откриване на рентгенов подпис на единичен атом", разказва Хла.
Изследването на Хла е фокусирано върху нано и квантовите науки, като се поставя специален акцент върху разбирането на химичните и физичните свойства на материалите на фундаментално ниво - на база отделен атом. В допълнение към постигането на рентгенов подпис на един атом, основната цел на екипа е да използва тази техника за изследване на въздействието на околната среда върху един атом на редкоземни елементи.
"Открихме и химичните състояния на отделните атоми", обяснява Хла. "Като сравняваме химичните състояния на атома на желязото и на атома на тербия в съответните молекулни носители, откриваме, че атомът на тербия, рядкоземен метал, е по-скоро изолиран и не променя химичното си състояние, докато атомът на желязото силно взаимодейства със заобикалящата го среда."
Много редкоземни материали се използват в устройства от ежедневието, като например мобилни телефони, компютри и телевизори, и са изключително важни за създаването и развитието на технологиите. Благодарение на това откритие учените вече могат да определят не само вида на елемента, но и неговото химично състояние, което ще им позволи да манипулират по-добре атомите в различните материали, за да отговорят на постоянно променящите се нужди в различни области. Освен това те са разработили и нов метод, наречен "рентгеново възбудено резонансно тунелиране" или X-ERT, който им позволява да открият как орбиталите на една молекула се ориентират върху материална повърхност, използвайки синхротронни рентгенови лъчи.
"Това постижение свързва синхротронните рентгенови лъчи с процеса на квантово тунелиране за откриване на рентгеновия подпис на отделен атом и открива много вълнуващи изследователски направления, включително изследвания на квантовите и спиновите (магнитните) свойства само на един атом с помощта на синхротронни рентгенови лъчи", коментира Хла.
Освен Аджайи в това изследване са участвали още няколко дипломанти от Университета на Охайо.
Занапред Хла и неговият изследователски екип ще продължат да използват рентгеновите лъчи за откриване на свойствата само на един атом и да търсят начини за по-нататъшно революционизиране на приложенията им за използване при събиране на важни материали за изследване и др.
Справка: Saw-Wai Hla, Characterization of just one atom using synchrotron X-rays, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w
Източник: Scientists' report world's first X-ray of a single atom, Ohio University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция