Οι ακτίνες Χ σύγχροτρον απεικονίζουν ένα μόνο άτομο - Physics World

Οι ακτίνες Χ σύγχροτρον απεικονίζουν ένα μόνο άτομο - Physics World

Χρονική σήμανση: 3 Ιουλίου 2023 5:00 π.μ.

όταν οι ακτίνες Χ φωτίζουν ένα άτομο (κόκκινη μπάλα στο κέντρο του μορίου), τα ηλεκτρόνια του επιπέδου του πυρήνα διεγείρονται. Τα διεγερμένα με ακτίνες Χ ηλεκτρόνια στη συνέχεια διοχετεύονται στο άκρο του ανιχνευτή μέσω επικαλυπτόμενων ατομικών/μοριακών τροχιακών, τα οποία παρέχουν στοιχειώδεις και χημικές πληροφορίες για το άτομο
Μηχανισμός ακτίνων Χ ενός ατόμου Όταν οι ακτίνες Χ φωτίζουν ένα άτομο (κόκκινη μπάλα στο κέντρο του μορίου), τα ηλεκτρόνια στο επίπεδο του πυρήνα διεγείρονται. Τα διεγερμένα με ακτίνες Χ ηλεκτρόνια στη συνέχεια διοχετεύονται στο άκρο του ανιχνευτή μέσω επικαλυπτόμενων ατομικών/μοριακών τροχιακών, τα οποία παρέχουν στοιχειώδεις και χημικές πληροφορίες για το άτομο. (Ευγενική προσφορά: Saw-Wai Hla)

Η ανάλυση της μικροσκοπίας σάρωσης ακτίνων Χ σύγχροτρον έφτασε στο όριο ενός ατόμου για πρώτη φορά, χάρη στη νέα εργασία των ερευνητών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στις Η.Π.Α. Η πρόοδος θα έχει σημαντικές επιπτώσεις σε πολλούς τομείς της επιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της ιατρικής και της περιβαλλοντικής έρευνας.

«Μία από τις πιο σημαντικές εφαρμογές των ακτίνων Χ είναι ο χαρακτηρισμός υλικών», εξηγεί ο συν-επικεφαλής της μελέτης Saw Wai Hla, Argonne φυσικός και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο. «Από την ανακάλυψή του πριν από 128 χρόνια από τον Roentgen, αυτή είναι η πρώτη φορά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό δειγμάτων στο τελικό όριο ενός μόνο ατόμου».

Μέχρι τώρα, το μικρότερο μέγεθος δείγματος που μπορούσε να αναλυθεί ήταν ένα ατόγραμμα, το οποίο είναι περίπου 10,000 άτομα. Αυτό συμβαίνει επειδή το σήμα ακτίνων Χ που παράγεται από ένα μόνο άτομο είναι εξαιρετικά αδύναμο και οι συμβατικοί ανιχνευτές δεν είναι αρκετά ευαίσθητοι για να το ανιχνεύσουν.

Συναρπαστικά ηλεκτρόνια σε επίπεδο πυρήνα

Στην εργασία τους, την οποία οι ερευνητές αναλύουν Φύση, πρόσθεσαν ένα αιχμηρό μεταλλικό άκρο σε έναν συμβατικό ανιχνευτή ακτίνων Χ για να ανιχνεύσει ηλεκτρόνια διεγερμένα από ακτίνες Χ σε δείγματα που περιέχουν άτομα σιδήρου ή τερβίου. Το άκρο τοποθετείται μόλις 1 nm πάνω από το δείγμα και τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται είναι ηλεκτρόνια σε επίπεδο πυρήνα – ουσιαστικά «δακτυλικά αποτυπώματα» μοναδικά για κάθε στοιχείο. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως σύγχροτρον μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας ακτίνων Χ (SX-STM).

Saw Wai Hla και Tolulope M. Ajayi,
Στο εργαστήριο: Saw Wai Hla (δεξιά) και μελέτη πρώτος συγγραφέας Tolulope M. Ajayi. (Ευγενική προσφορά: Argonne National Laboratory)

Το SX-STM συνδυάζει την εξαιρετικά υψηλή χωρική ανάλυση της μικροσκοπίας σάρωσης σήραγγας με τη χημική ευαισθησία που παρέχεται από τον φωτισμό ακτίνων Χ. Καθώς το αιχμηρό άκρο μετακινείται στην επιφάνεια ενός δείγματος, τα ηλεκτρόνια διασχίζουν το χώρο μεταξύ του άκρου και του δείγματος, δημιουργώντας ένα ρεύμα. Το άκρο ανιχνεύει αυτό το ρεύμα και το μικροσκόπιο το μετατρέπει σε εικόνα που παρέχει πληροφορίες για το άτομο κάτω από το άκρο.

«Ο στοιχειακός τύπος, η χημική κατάσταση και ακόμη και οι μαγνητικές υπογραφές κωδικοποιούνται στο ίδιο σήμα», εξηγεί η Hla, «έτσι εάν μπορούμε να καταγράψουμε την υπογραφή ακτίνων Χ ενός ατόμου, είναι δυνατόν να εξαγάγουμε απευθείας αυτές τις πληροφορίες».

Η δυνατότητα διερεύνησης ενός μεμονωμένου ατόμου και των χημικών του ιδιοτήτων θα επιτρέψει το σχεδιασμό προηγμένων υλικών με ιδιότητες προσαρμοσμένες σε συγκεκριμένες εφαρμογές, προσθέτει ο συν-επικεφαλής της μελέτης Volker Rose. «Στην εργασία μας, εξετάσαμε μόρια που περιέχουν τέρβιο, το οποίο ανήκει στην οικογένεια των στοιχείων σπάνιων γαιών, που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως ηλεκτρικοί κινητήρες σε υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα, μονάδες σκληρού δίσκου, μαγνήτες υψηλής απόδοσης, γεννήτριες ανεμογεννητριών, εκτυπώσιμα ηλεκτρονικά και καταλύτες. Η τεχνική SX-STM παρέχει τώρα μια λεωφόρο για την εξερεύνηση αυτών των στοιχείων χωρίς την ανάγκη ανάλυσης μεγάλων ποσοτήτων υλικού».

Στην περιβαλλοντική έρευνα, θα είναι πλέον δυνατός ο εντοπισμός πιθανών τοξικών υλικών σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα, προσθέτει η Hla. «Το ίδιο ισχύει για την ιατρική έρευνα όπου τα βιομόρια που ευθύνονται για ασθένειες θα μπορούσαν να ανιχνευθούν στο ατομικό όριο», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Η ομάδα λέει ότι τώρα θέλει να εξερευνήσει τις μαγνητικές ιδιότητες μεμονωμένων ατόμων για σπιντρονικές και κβαντικές εφαρμογές. «Αυτό θα επηρεάσει πολλά ερευνητικά πεδία, από τη μαγνητική μνήμη που χρησιμοποιείται σε συσκευές αποθήκευσης δεδομένων, την κβαντική ανίχνευση και τους κβαντικούς υπολογιστές για να αναφέρουμε μόνο μερικά», εξηγεί η Hla.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής