Zespół naukowców z Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago i innych, kierowany przez profesora fizyki z Ohio University oraz naukowca z Argonne National Laboratory, Saw Wai Hla, wykonał pierwszy na świecie SYGNAŁ rentgenowski ( lub PODPIS) tylko jednego atomu. To przełomowe osiągnięcie zostało sfinansowane przez Departament Energii USA, Biuro Podstawowych Nauk o Energii i może zrewolucjonizować sposób, w jaki naukowcy wykrywają materiały.
Od czasu odkrycia przez Roentgena w 1895 r. promienie rentgenowskie były stosowane wszędzie, od badań lekarskich po kontrole bezpieczeństwa na lotniskach. Nawet Curiosity, marsjański łazik NASA, jest wyposażony w urządzenie rentgenowskie do badania składu materiałowego skał na Marsie. Ważnym zastosowaniem promieni rentgenowskich w nauce jest identyfikacja rodzaju materiałów w próbce. Z biegiem lat ilość materiałów w próbce potrzebnych do wykrywania promieniowania rentgenowskiego została znacznie zmniejszona dzięki opracowaniu synchrotronowych źródeł promieniowania rentgenowskiego i nowych instrumentów. Do tej pory najmniejsza ilość, jaką można prześwietlić próbkę, to attogram, czyli około 10 000 atomów lub więcej. Wynika to z faktu, że sygnał rentgenowski wytwarzany przez atom jest tak bardzo słaby, że nie można go wykryć za pomocą konwencjonalnych detektorów promieniowania rentgenowskiego. Według Hla prześwietlenie jednego atomu jest odwiecznym marzeniem naukowców, które teraz realizuje kierowany przez niego zespół badawczy.
„Atomy można rutynowo obrazować za pomocą mikroskopów z sondami skanującymi, ale bez promieni rentgenowskich nie można stwierdzić, z czego są zbudowane. jego stan chemiczny”, wyjaśnił Hla, który jest także dyrektorem Instytutu Nanoskali i Zjawisk Kwantowych na Uniwersytecie Ohio. „Kiedy będziemy w stanie to zrobić, będziemy mogli prześledzić materiały aż do ostatecznej granicy zaledwie jednego atomu. Będzie to miało ogromny wpływ na nauki środowiskowe i medyczne, a może nawet na znalezienie lekarstwa, które może mieć ogromny wpływ na ludzkość. To odkrycie zmieni świat”.
Ich artykuł, opublikowany w czasopiśmie naukowym Nature 31 maja 2023 r. i zdobiący okładkę drukowanej wersji czasopisma naukowego 1 czerwca 2023 r., szczegółowo opisuje, w jaki sposób Hla i kilku innych fizyków i chemików, w tym dr. studenci z OHIO użyli specjalnie skonstruowanego synchrotronowego instrumentu rentgenowskiego na linii wiązki XTIP firmy Advanced Photon Source i Centrum Materiałów Nanoskalowych w Argonne National Laboratory.
Do demonstracji zespół wybrał atom żelaza i atom terbu, oba umieszczone w odpowiednich gospodarzach molekularnych. Aby wykryć sygnał rentgenowski jednego atomu, zespół badawczy uzupełnił konwencjonalne detektory promieniowania rentgenowskiego o wyspecjalizowany detektor wykonany z ostrej metalowej końcówki umieszczonej bardzo blisko próbki w celu zbierania elektronów wzbudzonych promieniowaniem rentgenowskim – technika znana jako synchrotronowej rentgenowskiej skaningowej mikroskopii tunelowej lub SX-STM. Spektroskopia rentgenowska w SX-STM jest wyzwalana przez fotoabsorpcję elektronów na poziomie rdzenia, co stanowi pierwiastkowe odciski palców i jest skuteczne w bezpośredniej identyfikacji typu pierwiastkowego materiałów.
Według Hla widma są jak odciski palców, z których każdy jest unikalny i jest w stanie dokładnie wykryć, czym jest.
„Zastosowana technika i koncepcja sprawdzona w tym badaniu otworzyły nowe możliwości w badaniach rentgenowskich i nanoskali” – powiedział Tolulope Michael Ajayi, który jest pierwszym autorem artykułu i wykonuje tę pracę w ramach swojego doktoratu. Praca dyplomowa. „Co więcej, wykorzystanie promieni rentgenowskich do wykrywania i charakteryzowania poszczególnych atomów może zrewolucjonizować badania i dać początek nowym technologiom w takich dziedzinach, jak informacja kwantowa i wykrywanie pierwiastków śladowych w badaniach środowiskowych i medycznych, by wymienić tylko kilka. Osiągnięcie to otwiera również droga do zaawansowanego oprzyrządowania do nauki o materiałach”.
Przez ostatnie 12 lat Hla była zaangażowana w rozwój instrumentu SX-STM i jego metod pomiarowych wraz z Volkerem Rose, naukowcem z Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory.
„Przez 12 lat z powodzeniem nadzorowałem prace doktorskie czterech absolwentów OHIO związanych z rozwojem metody SX-STM. Przeszliśmy długą drogę, aby wykryć pojedynczy atom w promieniowaniu rentgenowskim podpis” – powiedziała Hla.
Badania Hla koncentrują się na nanonaukach i naukach kwantowych, ze szczególnym naciskiem na zrozumienie właściwości chemicznych i fizycznych materiałów na poziomie podstawowym – na podstawie pojedynczych atomów. Oprócz uzyskania sygnatury rentgenowskiej jednego atomu, głównym celem zespołu było wykorzystanie tej techniki do zbadania wpływu środowiska na pojedynczy atom pierwiastka ziem rzadkich.
„Wykryliśmy również stany chemiczne poszczególnych atomów” – wyjaśnił Hla. „Porównując stany chemiczne atomu żelaza i atomu terbu w odpowiednich gospodarzach molekularnych, stwierdzamy, że atom terbu, metalu ziem rzadkich, jest raczej izolowany i nie zmienia swojego stanu chemicznego, podczas gdy atom żelaza silnie oddziałuje z jego otaczający.”
Wiele metali ziem rzadkich jest używanych w urządzeniach codziennego użytku, takich jak telefony komórkowe, komputery i telewizory, by wymienić tylko kilka, i są one niezwykle ważne w tworzeniu i rozwijaniu technologii. Dzięki temu odkryciu naukowcy mogą teraz zidentyfikować nie tylko rodzaj pierwiastka, ale także jego stan chemiczny, co pozwoli im lepiej manipulować atomami wewnątrz różnych materiałów, aby sprostać stale zmieniającym się potrzebom w różnych dziedzinach. Co więcej, opracowali także nową metodę zwaną „tunelowaniem rezonansowym wzbudzanym promieniowaniem rentgenowskim lub X-ERT”, która pozwala im wykryć, w jaki sposób orbitale pojedynczej cząsteczki orientują się na powierzchni materiału za pomocą synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego.
„To osiągnięcie łączy synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie z procesem tunelowania kwantowego w celu wykrycia sygnatury rentgenowskiej pojedynczego atomu i otwiera wiele ekscytujących kierunków badań, w tym badania właściwości kwantowych i spinowych (magnetycznych) tylko jednego atomu przy użyciu synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego” – powiedziała Hla.
Oprócz Ajayi kilku innych absolwentów OHIO, w tym obecny doktorant. studenci Sineth Premarathna z fizyki i Xinyue Cheng z chemii, a także doktoranci. absolwenci fizyki Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas i Anh T. Ngo, obecnie profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Illinois w Chicago, byli zaangażowani w te badania. College of Arts and Sciences Roenigk Chair i profesor chemii Eric Masson zaprojektował i zsyntetyzował cząsteczkę ziem rzadkich wykorzystaną w tym badaniu.
Idąc dalej, Hla i jego zespół badawczy będą nadal wykorzystywać promieniowanie rentgenowskie do wykrywania właściwości tylko jednego atomu i znajdowania sposobów na dalszą rewolucję w swoich zastosowaniach do gromadzenia krytycznych badań nad materiałami i nie tylko.