Эксперты сделали новаторское рентгеновское изображение одиночного атома

В беспрецедентном прорыве группа ученых во главе с Со Вай Хла, профессором физики в Университет Огайо и ученый из Аргоннской национальной лаборатории успешно зафиксировал первую в мире рентгеновскую сигнатуру отдельного атома. Министерство энергетики США, Управление фундаментальных энергетических наук, профинансировало это потенциально преобразующее продвижение, которое может изменить то, как ученые определяют материалы.

Рентгеновское изображение одиночного атома

С момента открытия Рентгеном в 1895 году рентгеновские лучи нашли широкое применение, начиная от медицинской диагностики и заканчивая исследованием космоса. Рентгеновские лучи сыграли решающую роль в определении состава материала в образцах. С такими достижениями, как источники синхротронного рентгеновского излучения и передовые инструменты, обнаружение стало возможным даже на уровне аттограмм — примерно 10 000 атомов. Тем не менее, до сих пор рентгеновское облучение отдельного атома оставалось нереализованным стремлением, в основном из-за чрезвычайно слабого сигнала, излучаемого атомом, что делало его не обнаруживаемым традиционными детекторами рентгеновского излучения. Эта давняя мечта, как выражается Хла, теперь становится реальностью.

Усовершенствованный атомный анализ

«Визуализация атомов распространена с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей их состав остается неуловимым. Наше открытие позволяет нам определить тип отдельного атома и одновременно измерить его химическое состояние», — сказал Хла, директор Института наноразмерных и квантовых явлений в Университете Огайо. Это развитие имеет потенциальные важные последствия для экологических и медицинских наук и может даже способствовать новаторским лекарствам для человечества.

Исследование рентгеновского изображения одиночного атома

В исследовательской статье, опубликованной в журнале Nature 31 мая 2023 года, подробно описывается использование изготовленного на заказ синхротронного рентгеновского прибора в Усовершенствованном источнике фотонов и Центре наноразмерных материалов в Аргоннской национальной лаборатории. Этот инновационный подход включал обнаружение рентгеновского сигнала атома железа и тербия, каждый из которых встроен в определенные молекулярные узлы.

Революционная техника: SX-STM

Команда объединила традиционные рентгеновские детекторы со специализированным детектором с острым металлическим наконечником, расположенным в непосредственной близости от образца. Этот метод, известный как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия (SX-STM), позволил обнаружить электроны, возбужденные рентгеновским излучением. Полученные спектры служат уникальными идентификаторами, похожими на отпечатки пальцев, которые могут точно определить элементный тип материалов.

Более широкие последствия и перспективы на будущее

Толулоп Майкл Аджайи, Первый автор подчеркивает преобразующий потенциал этой разработки, которая может стать катализатором исследований и породить новые технологии в различных областях, включая квантовую информацию и обнаружение микроэлементов в экологических и медицинских исследованиях. Хла, ветеран в области метода SX-STM и разработки инструментов более 12 лет, стремится развивать этот метод для исследования воздействия окружающей среды на одиночный редкоземельный атом.

Приложения в повседневных технологиях

Полученные данные могут существенно повлиять на манипулирование атомами внутри различных материалов, затрагивая различные отрасли промышленности, от мобильных телефонов до телевизоров. Группа также разработала новый метод «туннелирование с возбуждением рентгеновским излучением» или X-ERT, позволяющий определять ориентацию отдельной молекулы на поверхности материала с помощью синхротронного рентгеновского излучения.

Вперед и вверх

Команда Хла, в которую входят несколько аспирантов из Огайо и профессор химии Эрик Массон, намерена продолжать использовать рентгеновские лучи для определения свойств отдельных атомов и продвижения их приложений для исследования критических материалов и не только.