รังสีเอกซ์ซินโครตรอนแสดงภาพอะตอมเดี่ยว – Physics World

รังสีเอกซ์ซินโครตรอนแสดงภาพอะตอมเดี่ยว – Physics World

ประทับเวลา: 3 กรกฎาคม 2023 5:00 น

เมื่อรังสีเอกซ์ส่องอะตอม (ลูกบอลสีแดงที่ใจกลางโมเลกุล) อิเล็กตรอนระดับแกนจะตื่นเต้น จากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์จะอุโมงค์ไปยังส่วนปลายของเครื่องตรวจจับผ่านวงโคจรของอะตอม/โมเลกุลที่ทับซ้อนกัน ซึ่งให้ข้อมูลองค์ประกอบและเคมีเกี่ยวกับอะตอม
กลไกเอกซเรย์อะตอมเดี่ยว เมื่อรังสีเอกซ์ส่องอะตอม (ลูกบอลสีแดงที่ใจกลางโมเลกุล) อิเล็กตรอนระดับแกนจะตื่นเต้น จากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์จะทะลุไปยังส่วนปลายของเครื่องตรวจจับผ่านออร์บิทัลของอะตอม/โมเลกุลที่ทับซ้อนกัน ซึ่งจะให้ข้อมูลองค์ประกอบและเคมีเกี่ยวกับอะตอม (เอื้อเฟื้อ: สว-ไวหล้า)

ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์เอ็กซ์เรย์สแกนซินโครตรอนได้มาถึงขีดจำกัดของอะตอมเดี่ยวเป็นครั้งแรก ต้องขอบคุณผลงานใหม่ของนักวิจัยที่ อาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ในสหรัฐอเมริกา. ความก้าวหน้าจะมีนัยสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์หลายด้าน รวมถึงการวิจัยทางการแพทย์และสิ่งแวดล้อม

"หนึ่งในการประยุกต์ใช้รังสีเอกซ์ที่สำคัญที่สุดคือการระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุ" ผู้ร่วมวิจัยอธิบาย สวี ไว หล่านักฟิสิกส์และศาสตราจารย์ Argonne ที่ มหาวิทยาลัยโอไฮโอ. “นับตั้งแต่ Roentgen ค้นพบเมื่อ 128 ปีก่อน นี่เป็นครั้งแรกที่สามารถใช้พวกมันเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของตัวอย่างที่ขีดจำกัดสูงสุดของอะตอมเพียงหนึ่งอะตอม”

จนถึงขณะนี้ ขนาดตัวอย่างที่เล็กที่สุดที่สามารถวิเคราะห์ได้คืออะตอม ซึ่งมีประมาณ 10,000 อะตอม นี่เป็นเพราะสัญญาณเอ็กซ์เรย์ที่ผลิตโดยอะตอมเดี่ยวนั้นอ่อนแอมาก และตัวตรวจจับทั่วไปไม่ไวพอที่จะตรวจจับได้

อิเล็กตรอนระดับแกนกลางที่น่าตื่นเต้น

ในการทำงานซึ่งผู้วิจัยได้ลงรายละเอียดไว้ ธรรมชาติพวกเขาได้เพิ่มปลายโลหะที่แหลมคมให้กับเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์แบบเดิมเพื่อตรวจจับอิเล็กตรอนที่กระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์ในตัวอย่างที่มีอะตอมของธาตุเหล็กหรือเทอร์เบียม ปลายวางอยู่เหนือตัวอย่างเพียง 1 นาโนเมตร และอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นคืออิเล็กตรอนระดับแกนกลาง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะเป็น "ลายนิ้วมือ" เฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบ เทคนิคนี้เรียกว่าซินโครตรอนเอ็กซ์เรย์สแกนทันเนลไมโครสโคป (SX-STM)

Saw Wai Hla และ Tolulope M. Ajayi
ในห้องทดลอง: Saw Wai Hla (ขวา) และศึกษาผู้เขียนคนแรก Tolulope M. Ajayi (มารยาท: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne)

SX-STM รวมความละเอียดเชิงพื้นที่สูงพิเศษของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนเข้ากับความไวต่อสารเคมีที่ได้จากแสงเอ็กซ์เรย์ เมื่อปลายแหลมเคลื่อนผ่านพื้นผิวของตัวอย่าง อิเล็กตรอนจะทะลุผ่านช่องว่างระหว่างปลายและตัวอย่าง ทำให้เกิดกระแส ทิปตรวจจับกระแสนี้และกล้องจุลทรรศน์จะแปลงเป็นภาพที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมใต้ทิป

“ประเภทของธาตุ สถานะทางเคมี และแม้แต่ลายเซ็นแม่เหล็กจะถูกเข้ารหัสในสัญญาณเดียวกัน” Hla อธิบาย “ดังนั้นหากเราสามารถบันทึกลายเซ็นรังสีเอกซ์ของอะตอมหนึ่งอะตอมได้ ก็เป็นไปได้ที่จะดึงข้อมูลนี้โดยตรง”

ความสามารถในการตรวจสอบแต่ละอะตอมและคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมนั้นจะช่วยให้สามารถออกแบบวัสดุขั้นสูงที่มีคุณสมบัติที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะได้ ผู้นำร่วมในการศึกษากล่าวเสริม โวลเกอร์ โรส. “ในงานของเรา เราศึกษาโมเลกุลที่มีเทอร์เบียม ซึ่งเป็นธาตุหายากในตระกูลแร่หายาก ซึ่งใช้ในงานต่างๆ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าในรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ แม่เหล็กประสิทธิภาพสูง เครื่องกำเนิดกังหันลม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับพิมพ์ และตัวเร่งปฏิกิริยา ขณะนี้เทคนิค SX-STM เป็นช่องทางในการสำรวจองค์ประกอบเหล่านี้โดยไม่จำเป็นต้องวิเคราะห์วัสดุจำนวนมาก”

ในการวิจัยด้านสิ่งแวดล้อม ตอนนี้จะสามารถติดตามวัตถุที่อาจเป็นพิษได้จนถึงระดับที่ต่ำมาก Hla กล่าวเสริม "เช่นเดียวกันกับการวิจัยทางการแพทย์ที่สามารถตรวจพบสารชีวโมเลกุลที่ก่อให้เกิดโรคได้ในระดับอะตอม" เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

ทีมงานกล่าวว่าตอนนี้ต้องการสำรวจคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอมแต่ละตัวสำหรับการใช้งานสปินโทรนิกและควอนตัม “สิ่งนี้จะส่งผลกระทบต่องานวิจัยหลายแขนง ตั้งแต่หน่วยความจำแม่เหล็กที่ใช้ในอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล การตรวจจับควอนตัมและการคำนวณด้วยควอนตัม เป็นต้น” Hla อธิบาย

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์