Un team di scienziati dell’Università dell’Ohio, dell’Argonne National Laboratory, dell’Università dell’Illinois-Chicago e altri, guidati dal professore di fisica dell’Università dell’Ohio e dallo scienziato dell’Argonne National Laboratory Saw Wai Hla, ha preso il primo segnale a raggi X al mondo (o firma) da solo un atomo. Questo risultato pionieristico potrebbe rivoluzionare il modo in cui gli scienziati scoprono i materiali.

Dalla sua scoperta da parte di Roentgen nel 1895, i raggi X sono stati utilizzati ovunque, dai controlli medici ai controlli di sicurezza negli aeroporti. Anche Curiosity, il rover su Marte della NASA, è dotato di una macchina a raggi X per esaminare la composizione materiale delle rocce su Marte. Un uso importante dei raggi X nella scienza è determinare il tipo di materiale in un campione. Nel corso degli anni, la quantità di materiale nel campione necessaria per il rilevamento dei raggi X è stata notevolmente ridotta grazie allo sviluppo di sorgenti di raggi X di sincrotrone e di nuovi strumenti. Ad oggi, la quantità minima che un individuo può raggi X è in un autogramma, circa 10.000 atomi o più. Questo perché il segnale a raggi X prodotto dall’atomo è troppo debole per essere utilizzato dai rivelatori di raggi X convenzionali per rilevarlo. Secondo Hla, è un sogno di lunga data degli scienziati radiografare un singolo atomo, che ora viene realizzato dal gruppo di ricerca che guida.

“Gli atomi possono essere regolarmente ripresi con microscopi a scansione di sonda, ma senza raggi X non si può dire di cosa sono fatti. Ora possiamo rilevare esattamente che tipo di atomo è un particolare atomo, un atomo alla volta, e possiamo misurarlo”, ha spiegato Hla, che è anche direttore dell’Institute for Phenomenology. Nanoparticles and Quantum presso l’Università dell’Ohio “il suo stato chimico”. atomo. Ciò avrà un enorme impatto sulle scienze ambientali e mediche e potrebbe persino trovare una cura che potrebbe avere un enorme impatto sulla razza umana. Questa scoperta cambierà il mondo”.

Il loro articolo pubblicato sulla rivista scientifica natura il 31 maggio 2023 e adorna la copertina dell’edizione cartacea della rivista scientifica il 1 giugno 2023, descrivendo in dettaglio come Hala e molti altri fisici e chimici, tra cui il dottorato di ricerca. Gli studenti dell’OHIO hanno utilizzato uno strumento a raggi X di sincrotrone appositamente costruito presso la linea di luce XTIP dell’Advanced Photon Source and NanoMaterials Center presso l’Argonne National Laboratory.

Per illustrare, il team ha scelto un atomo di ferro e un atomo di terbio, entrambi inseriti in due ospiti molecolari. Per rilevare il segnale a raggi X di un singolo atomo, il team di ricerca ha integrato i rivelatori di raggi X convenzionali con un rivelatore specializzato costituito da una punta metallica affilata che è stata posizionata molto vicino al campione per raccogliere gli elettroni eccitati dai raggi X: un tecnica nota come microscopia a effetto tunnel a raggi X di sincrotrone, o SX-STM. La spettroscopia a raggi X nell’SX-STM è alimentata dal fotoassorbimento di elettroni a livello del nucleo, che formano impronte digitali e sono efficaci nell’identificare direttamente il tipo elementare di materiali.

Secondo Hla, gli spettri sono come impronte digitali, ognuna unica e in grado di rilevare esattamente di cosa si tratta.

“La tecnica utilizzata e il concetto dimostrato in questo studio hanno aperto nuovi orizzonti nella scienza dei raggi X e negli studi su nanoscala”, ha affermato Tololop Michael Ajayi, il primo autore dell’articolo che ha svolto il lavoro come parte della sua tesi di dottorato. tesi. Inoltre, l’uso dei raggi X per rilevare e caratterizzare i singoli atomi potrebbe rivoluzionare la ricerca e generare nuove tecnologie in settori quali l’informazione quantitativa e il rilevamento di elementi in traccia nella ricerca ambientale e medica, per citarne solo alcuni. dispositivi avanzati per la scienza dei materiali. ”

Negli ultimi 12 anni, Hla è stata coinvolta nello sviluppo dello strumento SX-STM e dei suoi metodi di misurazione insieme a Volker Rose, scienziato dell’Advanced Photon Source presso l’Argonne National Laboratory.

“Sono stata in grado di supervisionare con successo quattro studenti laureati dell’OHIO per tesi di dottorato relative allo sviluppo del metodo SX-STM nel corso di 12 anni. Abbiamo fatto molta strada per ottenere il rilevamento di raggi X di un singolo atomo”, ha affermato. disse.

Lo studio di Hla si concentra sulle scienze nano e quantistiche con particolare attenzione alla comprensione delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali al livello più fondamentale – sulla base del singolo atomo. Oltre a ottenere la firma a raggi X di un singolo atomo, l’obiettivo principale del team era utilizzare questa tecnica per sondare l’impatto ambientale su un singolo atomo di terre rare.

“Abbiamo anche scoperto gli stati chimici dei singoli atomi”, ha spiegato Hla. “Confrontando gli stati chimici di un atomo di ferro e di un atomo di terbio all’interno dei rispettivi ospiti molecolari, scopriamo che l’atomo di terbio, un metallo delle terre rare, è abbastanza isolato e non cambia il suo stato chimico mentre l’atomo di ferro interagisce fortemente con gli atomi nei suoi dintorni».

Molti materiali di terre rare sono utilizzati in dispositivi di uso quotidiano, come telefoni cellulari, computer e televisori, solo per citarne alcuni, e sono estremamente importanti nella creazione e nello sviluppo della tecnologia. Con questa scoperta, gli scienziati possono ora determinare non solo il tipo di elemento ma anche il suo stato chimico, che consentirà loro di manipolare meglio gli atomi all’interno di diversi ospiti materiali per soddisfare le esigenze in continua evoluzione in vari campi. Inoltre, hanno anche sviluppato un nuovo metodo chiamato “X-ray excitation resonance tunneling, o X-ERT” che consente loro di rilevare come gli orbitali di una singola molecola sulla superficie di un materiale sono orientati utilizzando i raggi X di sincrotrone.

“Questo risultato collega i raggi X di sincrotrone con il processo di tunneling quantistico per rilevare la firma dei raggi X di un singolo atomo e apre molte entusiasmanti direzioni di ricerca tra cui la ricerca delle proprietà quantistiche e di spin (magnetiche) di un singolo atomo utilizzando solo X di sincrotrone -raggi”, ha detto Hla.

Oltre ad Ajayi, molti altri studenti laureati dell’OHIO, incluso l’attuale dottorato di ricerca. studenti Sineth Premarathna in Fisica e Xinyue Cheng in Chimica, nonché Ph.D. Gli alunni di fisica Sanjoy Sarkar, Chauz Wang, Kyaw Zhen Lat, Thomas Rojas e Ann T. Ngo, che attualmente è professore associato di ingegneria chimica presso l’Università dell’Illinois-Chicago, hanno partecipato a questa ricerca. Eric Masson, presidente del Roenigk College of Arts and Sciences e professore di chimica, ha progettato e sintetizzato la molecola di terre rare utilizzata in questo studio.

Andando avanti, Hla e il suo gruppo di ricerca continueranno a utilizzare i raggi X per scoprire le proprietà di un solo atomo e trovare modi per rivoluzionare le loro applicazioni per l’uso nella raccolta di ricerca sui materiali critici e altro ancora.