Científicos reportan la primera radiografía del mundo de un solo átomo

Un equipo de científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad de Illinois-Chicago y otros, dirigidos por el profesor de física de la Universidad de Ohio y científico del Laboratorio Nacional de Argonne, Saw Wai Hla, ha tomado la primera señal (o firma) de rayos X del mundo de solo un átomo. Este logro pionero podría revolucionar la forma en que los científicos descubren los materiales.

Desde su descubrimiento por Roentgen en 1895, los rayos X se han utilizado en todas partes, desde controles médicos hasta controles de seguridad en aeropuertos. Incluso Curiosity, el rover de Marte de la NASA, está equipado con una máquina de rayos X para examinar la composición material de las rocas de Marte. Un uso importante de los rayos X en la ciencia es determinar el tipo de material en una muestra. A lo largo de los años, la cantidad de material en la muestra necesaria para la detección de rayos X se ha reducido considerablemente gracias al desarrollo de fuentes de rayos X de sincrotrón y nuevos instrumentos. Hasta la fecha, la cantidad más pequeña que un individuo puede radiografiar está en un autograma, unos 10.000 átomos o más. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por el átomo es demasiado débil para ser utilizada por los detectores de rayos X convencionales para detectarla. Según Hla, es un sueño de muchos años de los científicos obtener una radiografía de un solo átomo, que ahora está siendo realizado por el equipo de investigación que dirige.

«Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X, uno no puede saber de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente qué tipo de átomo es un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medirlo», explicó Hla, quien también es directora del Instituto de Fenomenología. Nanopartículas y Cuántica de la Universidad de Ohio, «su estado químico». átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas e incluso puede encontrar una cura que podría tener un gran impacto en la raza humana. Este descubrimiento cambiará el mundo».

Su artículo publicado en la revista científica naturaleza el 31 de mayo de 2023, y adornando la portada de la edición impresa del 1 de junio de 2023 de la revista científica, que detalla cómo Hala y varios otros físicos y químicos, incluido Ph.D. Los estudiantes de OHIO utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón especialmente diseñado en la línea de luz XTIP del Centro de Nanomateriales y Fuente de Fotones Avanzados en el Laboratorio Nacional de Argonne.

Para ilustrar, el equipo eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio, los cuales se insertaron en dos anfitriones moleculares. Para detectar la señal de rayos X de un solo átomo, el equipo de investigación complementó los detectores de rayos X convencionales con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada que se colocó muy cerca de la muestra para recolectar los electrones excitados por rayos X: un técnica conocida como microscopía de efecto túnel de rayos X sincrotrón, o SX-STM. La espectroscopia de rayos X en el SX-STM está impulsada por la fotoabsorción de electrones a nivel del núcleo, que forman huellas dactilares y son eficaces para identificar directamente el tipo elemental de materiales.

Según Hla, los espectros son como huellas dactilares, cada uno único y capaz de detectar exactamente lo que es.

«La técnica utilizada y el concepto demostrado en este estudio abrieron nuevos horizontes en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala», dijo Tololop Michael Ajayi, el primer autor del artículo que realizó el trabajo como parte de su tesis doctoral. tesis. Además, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuantitativa y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por mencionar algunas. Dispositivos avanzados de ciencia de materiales. .”

Durante los últimos 12 años, Hla ha estado involucrada en el desarrollo del instrumento SX-STM y sus métodos de medición junto con Volker Rose, científico de Advanced Photon Source en Argonne National Laboratory.

«He podido supervisar con éxito a cuatro estudiantes graduados de OHIO para tesis doctorales relacionadas con el desarrollo del método SX-STM en el transcurso de 12 años. Hemos recorrido un largo camino para lograr la detección de rayos X de un solo átomo», Hala dicho.

El estudio de Hla se centra en las ciencias nano y cuánticas con un enfoque particular en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales en el nivel más fundamental, sobre la base del átomo individual. Además de lograr la firma de rayos X de un solo átomo, el objetivo principal del equipo era usar esta técnica para investigar el impacto ambiental en un solo átomo de tierra rara.

«También descubrimos los estados químicos de los átomos individuales», explicó Hla. «Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de sus respectivos anfitriones moleculares, encontramos que un átomo de terbio, un metal de tierras raras, está bastante aislado y no cambia su estado químico mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con los átomos. en su entorno».

Muchos materiales de tierras raras se utilizan en dispositivos cotidianos, como teléfonos celulares, computadoras y televisores, por nombrar algunos, y son extremadamente importantes en la creación y el desarrollo de tecnología. Con este descubrimiento, los científicos ahora pueden determinar no solo el tipo de elemento sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos dentro de diferentes materiales anfitriones para satisfacer las necesidades en constante cambio en varios campos. Además, también han desarrollado un nuevo método llamado «túnel de resonancia de excitación de rayos X, o X-ERT» que les permite detectar cómo se orientan los orbitales de una sola molécula en la superficie de un material utilizando rayos X de sincrotrón.

«Este logro vincula los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica para detectar la firma de rayos X de un solo átomo y abre muchas direcciones de investigación interesantes, incluida la búsqueda de las propiedades cuánticas y de espín (magnéticas) de un solo átomo usando solo sincrotrón X. -rayos», dijo Hla.

Además de Ajayi, muchos otros estudiantes graduados de OHIO, incluido el doctorado actual. estudiantes Sineth Premarathna en Física y Xinyue Cheng en Química, así como Ph.D. Los alumnos de física Sanjoy Sarkar, Chauz Wang, Kyaw Zhen Lat, Thomas Rojas y Ann T. Ngo, quien actualmente es profesora asociada de ingeniería química en la Universidad de Illinois-Chicago, participaron en esta investigación. El presidente de la Facultad de Artes y Ciencias de Roenigk y profesor de química, Eric Masson, diseñó y sintetizó la molécula de tierras raras utilizada en este estudio.

En el futuro, Hla y su equipo de investigación continuarán usando rayos X para descubrir las propiedades de un solo átomo y encontrar formas de revolucionar sus aplicaciones para su uso en la recolección de investigación de materiales críticos y más.