X-ışınları (mavi renk) bir demir atomunu (molekülün merkezindeki kırmızı top) aydınlattığında, çekirdek seviyesindeki elektronlar uyarılır. X-ışını ile uyarılmış elektronlar daha sonra, demir atomunun temel ve kimyasal bilgilerini sağlayan örtüşen atomik/moleküler orbitaller aracılığıyla detektör ucuna (gri) tünellenir. Kredi: Saw-Wai Hla
Bilim adamları, ilk kez tek bir atomun X-ışın imzasını başarıyla tespit ettiler. Ekip, senkrotron X-ışını taramalı tünelleme mikroskobu (SX-STM) olarak bilinen öncü bir tekniği kullanarak, tek tek atomları tanımlayıp karakterize edebildi ve çevresel, tıbbi ve kuantum araştırmalarında yeni olasılıklar açtı.
{6 }Ohio Üniversitesi Fizik Profesörü liderliğindeki Ohio Üniversitesi, Argonne Ulusal Laboratuvarı, Illinois-Chicago Üniversitesi ve diğerlerinden oluşan bir ekip ve Argonne Ulusal Laboratuvarı bilim adamı Saw Wai Hla, dünyanın ilk X-ışını SİNYALİNİ aldı (veya İMZA) sadece bir atomun. Bu çığır açan başarı, ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından finanse edildi ve bilim insanlarının malzemeleri tespit etme yöntemlerinde devrim yaratabilir.
1895’te Roentgen tarafından keşfedildiğinden beri, X-ışınları her yerde kullanıldı; tıbbi muayenelerden havalimanlarındaki güvenlik taramalarına kadar. NASA’nın Mars gezicisi Curiosity bile, Mars’taki kayaların malzeme bileşimini incelemek için bir X-ışını cihazı ile donatılmıştır. X-ışınlarının bilimde önemli bir kullanımı, bir numunedeki malzemelerin türünü belirlemektir. Senkrotron X-ışınları kaynaklarının ve yeni aletlerin geliştirilmesi sayesinde, bir numunedeki X-ışını saptaması için gereken malzeme miktarı yıllar içinde büyük ölçüde azaltılmıştır. Bugüne kadar, bir numunenin X-ışını ile çekebileceği en küçük miktar, yaklaşık 10.000 atom veya daha fazlası olan attogramdır. Bunun nedeni, bir atom tarafından üretilen X-ışını sinyalinin son derece zayıf olmasıdır, bu nedenle geleneksel X-ışını detektörleri onu tespit etmek için kullanılamaz. Hla’ya göre, bilim adamlarının tek bir atomun X ışınını çekmek için uzun süredir devam eden bir hayali, şimdi onun liderliğindeki araştırma ekibi tarafından gerçekleştiriliyor.
(Solda) An tüm halkada yalnızca bir Fe atomunun bulunduğu halka şeklindeki bir süper molekülün görüntüsü. (Sağda) Sadece bir Fe atomunun X-ışını imzası. Kredi: Saw-Wai Hla
“Atomlar, taramalı sonda mikroskoplarıyla rutin olarak görüntülenebilir, ancak X-ışınları olmadan, bunların neyden yapıldığı anlaşılamaz. Ohio Üniversitesi Nanoölçek ve Kuantum Fenomenleri Enstitüsü’nün direktörü olan Hla, “Artık belirli bir atomun türünü, her seferinde bir atom olmak üzere tam olarak saptayabiliyor ve aynı anda kimyasal durumunu ölçebiliyoruz” diye açıklıyor. “Bunu yapabildiğimizde, malzemeleri yalnızca bir atomun nihai sınırına kadar takip edebiliriz. Bu, çevre ve tıp bilimleri üzerinde büyük bir etki yaratacak ve hatta belki de insanlık için çok büyük bir etki yaratabilecek bir çare bulacaktır. Bu keşif dünyayı dönüştürecek.”
Saw-Wai Hla. Kredi: Ohio Üniversitesi
31 Mayıs 2023’te Nature bilimsel dergisinde yayınlanan ve 1 Haziran 2023’te bilimsel derginin basılı sürümünün kapağını süsleyen makaleleri, Hla ve Ph.D. dahil olmak üzere diğer birkaç fizikçi ve kimyager. OHIO’daki öğrenciler, Advanced Photon Source’un XTIP ışın hattında ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi’nde amaca yönelik bir senkrotron X-ışını cihazı kullandılar.
Ekip, gösteri için bir demir atomu ve bir terbiyum atomu, her ikisi de ilgili moleküler konakçılara eklenir. Araştırma ekibi, bir atomun X-ışını sinyalini tespit etmek için, X-ışınlarındaki geleneksel dedektörleri, X-ışını ile uyarılmış elektronları toplamak için numuneye aşırı yakın konumlandırılmış keskin bir metal uçtan yapılmış özel bir dedektörle destekledi – bu teknik senkrotron olarak bilinir. X-ışını taramalı tünelleme mikroskobu veya SX-STM. SX-STM’deki X-ışını spektroskopisi, temel parmak izlerini oluşturan ve malzemelerin temel türünü doğrudan belirlemede etkili olan çekirdek seviyesindeki elektronların fotoabsorpsiyonu ile tetiklenir.
Hla’ya göre, spektrumlar parmak izleri gibidir, her biri benzersizdir ve tam olarak ne olduğunu tespit edebilir.
“Bu çalışmada kullanılan teknik ve kanıtlanmış kavram, X-ışınları biliminde ve nano ölçekli çalışmalarda yeni bir çığır açtı” dedi. makalenin ilk yazarıdır ve bu çalışmayı doktorasının bir parçası olarak yapmaktadır.”Ayrıca, tek tek atomları tespit etmek ve karakterize etmek için X-ışınlarını kullanmak, araştırmalarda devrim yaratabilir ve kuantum bilgisi ve çevresel ve tıbbi araştırmalarda eser elementlerin tespiti gibi alanlarda yeni teknolojiler doğurabilir. Bu başarı aynı zamanda gelişmiş malzeme bilimi enstrümantasyonunun yolunu açıyor.”
Hla, son 12 yıldır Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Advanced Photon Source’ta bilim insanı olan Volker Rose ile birlikte bir SX-STM cihazının ve ölçüm yöntemlerinin geliştirilmesinde yer aldı.
{ 2}”Dört OHIO lisansüstü öğrencisini doktora çalışmaları için başarılı bir şekilde denetlemeyi başardım. 12 yıllık bir süre boyunca SX-STM yöntemi geliştirme ile ilgili tezler. Tek bir atomun X-ışın imzasını saptamak için uzun bir yol kat ettik,” dedi Hla.
Hla’nın çalışması, malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini anlamaya özel önem vererek nano ve kuantum bilimlerine odaklanıyor. temel düzeyde – bireysel atom bazında. Ekibin tek bir atomun X-ışını imzasını elde etmenin yanı sıra, bu tekniği tek bir nadir toprak atomu üzerindeki çevresel etkiyi araştırmak için kullanması da ekibin temel hedefiydi.
“Ayrı ayrı atomların kimyasal durumlarını saptadık. ayrıca,” diye açıkladı Hla. “Bir demir atomunun ve bir terbiyum atomunun ilgili moleküler konakçıların içindeki kimyasal durumlarını karşılaştırarak, nadir bir toprak metali olan terbiyum atomunun oldukça izole olduğunu ve demir atomu ile güçlü bir şekilde etkileşime girerken kimyasal durumunu değiştirmediğini bulduk. çevre.”
Birkaç isim vermek gerekirse, cep telefonları, bilgisayarlar ve televizyonlar gibi günlük cihazlarda kullanılan pek çok nadir toprak malzemesi, teknoloji yaratma ve ilerletmede son derece önemlidir. Bu keşif sayesinde, bilim adamları artık sadece elementin türünü değil, aynı zamanda kimyasal durumunu da tanımlayabilirler; bu da, çeşitli alanlarda sürekli değişen ihtiyaçları karşılamak için farklı malzeme konakçılarının içindeki atomları daha iyi manipüle etmelerine olanak tanır. Ayrıca, senkrotron X-ışınları kullanarak tek bir molekülün yörüngelerinin bir malzeme yüzeyinde nasıl yönlendiğini tespit etmelerine olanak tanıyan “X-ışını uyarmalı rezonans tünelleme veya X-ERT” adlı yeni bir yöntem geliştirdiler.
“Bu başarı, tek bir atomun X-ışını imzasını saptamak için senkrotron X-ışınlarını kuantum tünelleme işlemiyle birleştiriyor ve senkrotron X-ışınları kullanılarak yalnızca bir atomun kuantum ve spin (manyetik) özellikleri üzerine araştırma da dahil olmak üzere pek çok heyecan verici araştırma yönü açıyor.” dedi Hla.
Ajayi’ye ek olarak, mevcut Ph.D. Öğrenciler Fizikte Sineth Premarathna ve Kimyada Xinyue Cheng ve Ph.D. Fizik mezunları Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas ve şu anda Illinois-Chicago Üniversitesi’nde Kimya Mühendisliği Doçenti olan Anh T. Ngo bu araştırmaya dahil oldu. Fen-Edebiyat Fakültesi Roenigk Başkanı ve Kimya Profesörü Eric Masson, bu çalışmada kullanılan nadir toprak molekülünü tasarladı ve sentezledi.
Gelecekte, Hla ve araştırma ekibi, X-ışınlarını kullanarak özelliklerini tespit etmeye devam edecek. yalnızca bir atom ve kritik malzeme araştırmaları ve daha fazlasını toplamak için uygulamalarında daha fazla devrim yaratmanın yollarını buluyor.
Referans: “Senkrotron X-ışınları kullanılarak yalnızca bir atomun karakterizasyonu”, Tolulope M. Ajayi, Nozomi Shirato, Tomas Rojas, Sarah Wieghold, Xinyue Cheng, Kyaw Zin Latt, Daniel J. Trainer, Naveen K. Dandu, Yiming Li, Sineth Premarathna, Sanjoy Sarkar, Daniel Rosenmann, Yuzi Liu, Nathalie Kyritsakas, Shaoze Wang, Eric Masson, Volker Rose, Xiaopeng Li, Anh T. Ngo ve Saw-Wai Hla, 31 Mayıs 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w
.