Tim naučnika sa Univerziteta Ohajo, Nacionalne laboratorije Argonne, Univerziteta Ilinois-Čikago i drugih, predvođen profesorom fizike Univerziteta Ohajo, i naučnikom iz Nacionalne laboratorije Argonne, Sav Vai Hla, snimili su prvi rendgenski SIGNAL na svetu ( ili POTPIS) samo jednog atoma. Ovo revolucionarno dostignuće moglo bi da revolucioniše način na koji naučnici otkrivaju materijale.
Od svog otkrića od strane Rentgena 1895. godine, rendgenski zraci su korišćeni svuda, od medicinskih pregleda do bezbednosnih pregleda na aerodromima. Čak je i Curiositi, NASA-in Mars rover, opremljen rendgenskim uređajem za ispitivanje sastava materijala stena na Marsu. Važna upotreba rendgenskih zraka u nauci je identifikacija vrste materijala u uzorku. Tokom godina, količina materijala u uzorku potrebna za detekciju rendgenskih zraka je značajno smanjena zahvaljujući razvoju sinhrotronskih izvora rendgenskih zraka i novih instrumenata. Do danas, najmanja količina koja se može rendgenski snimiti uzorak je u atogramu, to je oko 10.000 atoma ili više. To je zbog toga što je rendgenski signal koji proizvodi atom izuzetno slab tako da se konvencionalni detektori rendgenskih zraka ne mogu koristiti za detekciju. Kako kaže Hla, dugogodišnji je san naučnika da rendgenski zrače samo jedan atom, koji sada ostvaruje istraživački tim na čijem je čelu.
„Atomi se rutinski mogu snimati mikroskopima za skeniranje sonde, ali bez rendgenskih zraka ne može se reći od čega su napravljeni. Sada možemo tačno da otkrijemo tip određenog atoma, jedan atom po jedan, i možemo istovremeno da merimo njegovo hemijsko stanje“, objasnio je Hla, koji je i direktor Instituta za nanoskale i kvantne fenomene na Univerzitetu u Ohaju. „Kada to budemo mogli da uradimo, možemo pratiti materijale do krajnje granice od samo jednog atoma. Ovo će imati veliki uticaj na ekološke i medicinske nauke, a možda čak i pronaći lek koji može imati ogroman uticaj na čovečanstvo. otkriće će transformisati svet.“
Njihov rad, objavljen u naučnom časopisu Nature 31. maja 2023. i koji je na naslovnoj strani štampane verzije naučnog časopisa 1. juna 2023., opisuje kako Hla i nekoliko drugih fizičara i hemičara, uključujući dr. studenti u OHIO-u, koristili su namenski napravljen sinhrotronski rendgenski instrument na KSTIP liniji snopa Advanced Photon Source i Centru za nanorazmerne materijale u Nacionalnoj laboratoriji Argon.
Za demonstraciju, tim je izabrao atom gvožđa i atom terbijuma, oba umetnuta u odgovarajuće molekularne domaćine. Da bi detektovao rendgenski signal jednog atoma, istraživački tim je dopunio konvencionalne detektore u rendgenskim zracima specijalizovanim detektorom napravljenim od oštrog metalnog vrha postavljenog u ekstremnoj blizini uzorka kako bi prikupio elektrone pobuđene rendgenskim zracima – tehnika poznata kao sinhrotron Rentgenska skenirajuća tunelska mikroskopija ili SKS-STM. Rendgenska spektroskopija u SKS-STM-u se pokreće fotoapsorpcijom elektrona na nivou jezgra, koji čine elementarne otiske prstiju i efikasna je u direktnoj identifikaciji elementarnog tipa materijala.
Prema Hla, spektri su poput otisaka prstiju, svaki od njih je jedinstven i može tačno da otkrije šta je.
„Tehnika koja je korišćena i koncept dokazan u ovoj studiji, otvorili su novi teren u nauci o rendgenskim zracima i studijama na nanoskali“, rekao je Tolulope Michael Ajaii, koji je prvi autor rada i radi ovaj posao kao deo svog doktorata. teza. „Štaviše, korišćenje rendgenskih zraka za otkrivanje i karakterizaciju pojedinačnih atoma moglo bi revolucionisati istraživanje i roditi nove tehnologije u oblastima kao što su kvantne informacije i otkrivanje elemenata u tragovima u ekološkim i medicinskim istraživanjima, da spomenemo samo neke. Ovo dostignuće takođe otvara put za napredne instrumente nauke o materijalima.“
Poslednjih 12 godina, Hla je bila uključena u razvoj SKS-STM instrumenta i njegovih mernih metoda zajedno sa Volkerom Rouzom, naučnikom u Advanced Photon Source u Nacionalnoj laboratoriji Argonne.
„Uspeo sam da uspešno nadgledam četiri diplomirana studenta OHIO za njihove doktorske teze vezane za razvoj SKS-STM metode tokom perioda od 12 godina. Prešli smo dug put da postignemo detekciju rendgenskog zraka sa jednim atomom potpis“, rekao je Hla.
Hla-ina studija je fokusirana na nano i kvantne nauke sa posebnim naglaskom na razumevanju hemijskih i fizičkih svojstava materijala na fundamentalnom nivou—na bazi pojedinačnog atoma. Pored postizanja rendgenskog potpisa jednog atoma, ključni cilj tima je bio da koristi ovu tehniku za istraživanje uticaja životne sredine na jedan atom retke zemlje.
„Detektovali smo i hemijska stanja pojedinačnih atoma“, objasnio je Hla. „Upoređujući hemijska stanja atoma gvožđa i atoma terbijuma unutar odgovarajućih molekularnih domaćina, otkrivamo da je atom terbijuma, metal retke zemlje, prilično izolovan i da ne menja svoje hemijsko stanje dok atom gvožđa snažno reaguje sa svojim koji okružuje.“
Mnogi materijali retkih zemalja se koriste u svakodnevnim uređajima, kao što su mobilni telefoni, računari i televizori, da spomenemo samo neke, i izuzetno su važni u stvaranju i unapređenju tehnologije. Kroz ovo otkriće, naučnici sada mogu da identifikuju ne samo tip elementa već i njegovo hemijsko stanje, što će im omogućiti da bolje manipulišu atomima unutar različitih materijala domaćina kako bi zadovoljili potrebe koje se stalno menjaju u različitim oblastima. Štaviše, oni su takođe razvili novu metodu pod nazivom „Rentgenski pobuđeni rezonantni tunel ili Ks-ERT“ koji im omogućava da otkriju kako se orbitale jednog molekula orijentišu na površini materijala koristeći sinhrotronske rendgenske zrake.
„Ovo dostignuće povezuje sinhrotronske rendgenske zrake sa procesom kvantnog tuneliranja kako bi se otkrio rendgenski potpis pojedinačnog atoma i otvara mnoge uzbudljive istraživačke pravce, uključujući istraživanje kvantnih i spin (magnetnih) svojstava samo jednog atoma koristeći sinhrotronske rendgenske zrake“, rekla je Hla.
Pored Ajaiija, nekoliko drugih diplomiranih studenata OHIO-a, uključujući trenutnog doktora nauka. studenti Sineth Premarathna iz fizike i Ksiniue Cheng iz hemije, kao i dr. Alumni fizike Sanjoi Sarkar, Shaoze Vang, Kiav Zin Latt, Tomas Rojas i Anh T. Ngo, trenutno vanredni profesor hemijskog inženjerstva na Univerzitetu Ilinois-Čikago, bili su uključeni u ovo istraživanje. Predsedavajući Fakulteta umetnosti i nauka Roenigk i profesor hemije Eric Masson dizajnirao je i sintetizovao molekul retke zemlje koji se koristi u ovoj studiji.
U budućnosti, Hla i njegov istraživački tim će nastaviti da koriste rendgenske zrake da otkriju svojstva samo jednog atoma i pronađu načine da dalje revolucionišu svoje aplikacije za upotrebu u prikupljanju istraživanja kritičnih materijala i još mnogo toga.
