Trudno byłoby zliczyć wszystkie możliwości wykorzystania promieniowania rentgenowskiego. Teraz dzięki niemu badaczom udało się po raz pierwszy w historii uzyskać sygnaturę pojedynczego atomu. To przełomowe osiągnięcie może zrewolucjonizować sposób, w jaki naukowcy wykrywają materiały.
Zespół naukowców z Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago oraz kilku innych instytucji, kierowany przez fizyka Saw Wai Hla pierwszy raz w historii wykorzystał promieniowanie rentgenowskie do scharakteryzowania właściwości pojedynczego atomu. Dzięki opracowanej technologii naukowcy nie tylko byli w stanie rozróżnić rodzaje atomów znajdujących się w molekułach, ale także udało im się zbadać ich stany chemiczne,
Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w).
Odkryte w 1895 roku promieniowanie rentgenowskie jest obecnie wykorzystywane w bardzo wielu dziedzinach: w medycynie, na lotniskach, posługują się nimi nawet marsjańskie sondy i badają przy ich pomocy znajdujące się na tej planecie skały. Natomiast na jedno z możliwych zastosowań tych promieni warto zwrócić uwagę: to identyfikacja rodzaju materiału na podstawie jego próbki.
Jak do tej pory wydawało się, że jedynym ograniczeniem takiego zastosowania może być rozmiar badanego obiektu. Z biegiem lat ilość materiału potrzebnego do analizy znacznie się zmniejszyła. Do niedawna najmniejszą próbką, jaką można było badać przy pomocy promieni X był attogram – jedna trylionowa grama. W attogramie mieści się około 10 tys. atomów.
Ostatnio jednak stało się to, o czym wielu naukowców od dawna marzyło: udało się „zeskanować” promieniami X pojedynczy atom. Stwierdzenie przy pomocy promieniowania rentgenowskiego, z jakim dokładnie atomem mamy w danej chwili do czynienia, stało się zatem możliwe. Możliwości badawcze, jakie dzięki temu otwierają się przed ludzkością, wydają się olbrzymie. Dotyczy to również medycyny, co być może przyczyni się do opracowania nowych terapii na trapiące ludzkość choroby.
W jaki jednak sposób to wszystko działa? Otóż naukowcy postanowili spróbować to zademonstrować przy użyciu atomów żelaza i terbu, znajdujące się w cząsteczkach macierzystych. Celem było uzyskanie sygnału rentgenowskiego pojedynczego atomu, który jest bardzo słaby.
Po lewej: Schemat układu supramolekularnego terbu. Po prawej: obraz SX-STM zespołów supramolekularnych terbu, fot. Ajayi et al., Nature, 2023
Badacze wyposażyli w tym celu synchrotronowy instrument rentgenowski w specjalnie skonstruowany detektor, zakończony ostrą metalową końcówką, która została wycelowana z „ekstremalnie” bliskiej odległości w próbkę. Celem takiego działania było wykrycie elektronów wzbudzonych przez promieniowanie rentgenowskie. Technika ta nazywa się synchrotronową rentgenowską skaningową mikroskopią tunelową – w skrócie SX–STM.
No dobrze, ale skąd będziemy wiedzieć z jakim dokładnie atomem mamy do czynienia? Otóż kluczowym elementem dla spektroskopii rentgenowskiej przy użyciu SX-STM jest fotoabsorpcja elektronów. Jak wyjaśniają naukowcy, to jak odcisk palca poszczególnego pierwiastka, co daje możliwość bezpośredniej identyfikacji danego materiału.
Co ciekawe, przy okazji badaczom udało się coś jeszcze: mogli również zaobserwować stan chemiczny pojedynczych atomów. I stwierdzili, że żelazo i terb zachowują się tutaj w sposób diametralnie różny. O ile bowiem terb, który jest metalem ziem rzadkich, raczej się „izoluje” od otoczenia, o tyle żelazo dość szybko wchodzi z otoczeniem w interakcje. I również ta wiedza w odniesieniu do innych atomów z pewnością znajdzie zastosowanie w coraz bardziej wymagającym pod względem technologicznym świecie.
- Atomy można rutynowo obrazować za pomocą mikroskopów z sondami skanującymi, ale bez promieni rentgenowskich nie można stwierdzić, co to za atomy. Teraz możemy może wykryć typ atomu i oznaczyć jego stan chemiczny - wyjaśnił Hla.
Źródło: Ohio University, fot. Saw-Wai Hla
