Skupina znanstvenikov z Univerze Ohio, Nacionalnega laboratorija Argonne, Univerze Illinois-Chicago in drugih pod vodstvom profesorja fizike na Univerzi Ohio in znanstvenika iz Nacionalnega laboratorija Argonne Saw Wai Hla je prvič na svetu posnela rentgenski SIGNAL (ali SIGNATURO) samo enega atoma. Ta prelomni dosežek je financiralo ameriško ministrstvo za energijo, Urad za temeljne energetske znanosti, in bi lahko revolucionarno spremenil način, kako znanstveniki odkrivajo materiale.
Dolgoletne sanje znanstvenikov uresničene
Odkar je leta 1895 Roentgen odkril rentgenske žarke, se uporabljajo povsod, od zdravniških pregledov do varnostnih pregledov na letališčih. Curiosity, Nasin marsovski rover, je celo opremljen z rentgensko napravo za preučevanje sestave materialov v kamninah na Marsu. Pomembna uporaba rentgenskih žarkov v znanosti je ugotavljanje vrste materialov v vzorcu.
Z leti se je zaradi razvoja sinhrotronskih virov rentgenskih žarkov in novih instrumentov količina materialov v vzorcu, ki je potrebna za rentgensko zaznavanje, močno zmanjšala. Do danes je najmanjša količina, ki jo lahko rentgensko obsevamo v vzorcu, v atomgramih, to je približno 10.000 atomov ali več. Razlog za to je, da je rentgenski signal, ki ga proizvede atom, izredno šibek, tako da ga ni mogoče zaznati z običajnimi detektorji rentgenskih žarkov.
Po Hlajevih besedah so bile dolgoletne sanje znanstvenikov, da bi rentgensko obsevali samo en atom. To je raziskovalna skupina pod njegovim vodstvom zdaj uresničila.
»Atome je mogoče rutinsko slikati z mikroskopi s skenirno sondo, vendar brez rentgenskih žarkov ni mogoče ugotoviti, iz česa so sestavljeni. Zdaj lahko natančno določimo vrsto določenega atoma, enega po enega, in hkrati izmerimo njegovo kemijsko stanje,« je pojasnil Hla, ki je tudi direktor Inštituta za nanoskale in kvantne pojave na Univerzi v Ohiu. »Ko nam bo to uspelo, bomo lahko sledili materialom do skrajne meje enega samega atoma. To bo imelo velik vpliv na okoljske in medicinske znanosti ter morda celo na iskanje zdravila, ki bo imelo velik vpliv na človeštvo. To odkritje bo spremenilo svet.«
V članku, ki je bil objavljen v znanstveni reviji Nature, je podrobno opisano, kako so Hla in več drugih fizikov in kemikov, vključno z doktorskimi študenti OHIO, uporabili posebej za to zgrajen sinhrotronski rentgenski instrument na žarkovni liniji XTIP Naprednega vira fotonov in Centra za nanomateriale v Nacionalnem laboratoriju Argonne.
Potek raziskovanja ali obsevanja enega atoma
Ekipa je za demonstracijo izbrala atoma železa in terbija, ki sta bila vstavljena v ustrezne molekularne gostitelje. Za zaznavanje rentgenskega signala enega atoma je raziskovalna skupina običajne detektorje rentgenskih žarkov dopolnila s specializiranim detektorjem iz ostre kovinske konice, ki je postavljena v skrajno bližino vzorca in zbira rentgensko vzbujene elektrone – tehnika je znana kot sinhrotronska rentgenska skenirna tunelska mikroskopija ali SX-STM. Rentgensko spektroskopijo pri SX-STM sproži fotoabsorpcija elektronov jedrnega nivoja, ki predstavljajo elementarne prstne odtise in so učinkoviti pri neposredni identifikaciji elementarne vrste materialov.
Po Hlajevih besedah so spektri kot prstni odtisi, saj je vsak od njih edinstven in lahko natančno zazna, za kaj gre.
»Uporabljena tehnika in koncept, dokazan v tej študiji, sta odprla nove temelje v rentgenskih znanostih in študijah na nanometrski ravni,« je dejal Tolulope Michael Ajayi, ki je prvi avtor članka in to delo opravlja v okviru svoje doktorske disertacije. »Še več, uporaba rentgenskih žarkov za zaznavanje in opisovanje posameznih atomov bi lahko pomenila revolucijo v raziskavah in porodila nove tehnologije na področjih, kot so kvantne informacije in zaznavanje elementov v sledovih v okoljskih in medicinskih raziskavah, če jih naštejemo le nekaj. Ta dosežek prav tako odpira pot za napredne instrumente v znanosti o materialih.«
Zadnjih 12 let je Hla skupaj z Volkerjem Roseom, znanstvenikom iz Naprednega vira fotonov v Nacionalnem laboratoriju Argonne, sodeloval pri razvoju instrumenta SX-STM in njegovih merilnih metod.
»V 12 letih sem lahko uspešno vodil štiri diplomante OHIO pri njihovih doktorskih nalogah, povezanih z razvojem metode SX-STM. Prehodili smo dolgo pot do zaznavanja rentgenskega podpisa posameznega atoma,« je dejal Hla.
Ključni cilj ekipe tudi uporabiti tehniko za raziskovanje vpliva okolja na en atom
Hlajeva študija je osredotočena na nanoznanosti in kvantne znanosti s posebnim poudarkom na razumevanju kemijskih in fizikalnih lastnosti materialov na temeljni ravni – na ravni posameznega atoma. Poleg doseganja rentgenskega podpisa enega samega atoma je bil ključni cilj ekipe uporabiti to tehniko za raziskovanje vpliva okolja na en sam atom redke zemlje.
»Zaznali smo tudi kemijska stanja posameznih atomov,« je pojasnil Hla. »S primerjavo kemijskih stanj atoma železa in atoma terbija v ustreznih molekularnih gostiteljih smo ugotovili, da je atom terbija, redke zemeljske kovine, precej izoliran in ne spreminja svojega kemijskega stanja, medtem ko je atom železa v močni interakciji z okolico.«
Številni materiali iz redkih zemelj se uporabljajo v vsakdanjih napravah, kot so mobilni telefoni, računalniki in televizorji, ter so izredno pomembni pri ustvarjanju in razvoju tehnologije. S tem odkritjem lahko znanstveniki zdaj poleg vrste elementa določijo tudi njegovo kemijsko stanje, kar jim bo omogočilo boljše upravljanje atomov v različnih materialih gostiteljih, da bi zadovoljili nenehno spreminjajoče se potrebe na različnih področjih. Poleg tega so razvili tudi novo metodo, imenovano rentgensko vzbujeno resonančno tuneliranje ali X-ERT, s katero lahko s pomočjo sinhrotronskih rentgenskih žarkov ugotavljajo, kako se orbitale posamezne molekule orientirajo na površini materiala.
»Ta dosežek povezuje sinhrotronske žarke X s kvantnim tunelskim procesom za zaznavanje rentgenskega podpisa posameznega atoma in odpira številne zanimive raziskovalne smeri, vključno z raziskavami kvantnih in spinskih (magnetnih) lastnosti samo enega atoma z uporabo sinhrotronskih žarkov X,« je dejal Hla.
V prihodnje bodo Hla in njegova raziskovalna skupina še naprej uporabljali rentgenske žarke za odkrivanje lastnosti samo enega atoma in iskali načine za nadaljnjo revolucijo njihove uporabe za uporabo pri zbiranju kritičnih raziskav materialov in še kje.
Novinar
