"Otkriće koje će promeniti svet": Naučnici napravili prvi snimak pojedinačnog atoma pomoću X-zraka

Foto: YAY Media AS / Alamy / Alamy / Profimedia

Tim naučnika sa Univerziteta Ohajo, iz Nacionalne laboratorije Argon i sa Univerziteta Ilinois-Čikago, na čelu sa profesorom Sau Vai Hla, uspeli su da naprave prvi signal (ili potpis) pojedinačnog atoma pomoću X-zraka, piše Science Daily.

Ovo veliko dostignuće je finansiralo američko ministarstvo energetike, i moglo bi da donese revoluciju u polje detekcije materijala.

Još otkad ih je otkrio Rendgen, 1895. godine, X-zraci se koriste svuda, od medicinskih pregleda do bezbednosnih provera na aerodromima. Čak i Curiosity, NASA-in marsovski rover, opremljen je uređajima sa X-zracima koji proveravaju sastav stena na Marsu.

Važna upotreba X-zraka u nauci je ona kojom se identifikuju vrste materijala u uzorku. Tokom godina, količina materijala u uzroku potrebnom za detekciju pomoću X-zraka je mnogo smanjena, zahvaljujući razvoju sinhrotrona kao izvora X-zraka i novim instrumentima. Do nedavno, najmanja količina koju jedan X-zrak može da analizira je atogram, što je oko 10.000 atoma ili više.

Ovo je zbog toga što je signal X-zraka koji proizvodi atom toliko ekstremno slab da ga konvencionalni detektori X-zraka ne mogu detektovati. Prema Hla, dugogodišnji je san naučnika da "X-zrakuju" samo jedan atom, što je upravo ono što su uradili članovi njegovog tima.

- Atomi se rutinski "slikaju" sa raznim mikroskopima, ali bez X-zraka ne može se reći od čega su napravljeni. Sada možemo detektovati tačno tip određenog atoma, jedan atom u jednom trenutku, i istovremeno da izmerimo njegovo hemijsko stanje - objasnio je Hla, koji je takođe i direktor Instituta za nanoveličine i kvantne fenomene na Univerzitetu Ohajo.

- Kad smo u stanju da uradimo to, možemo da pratimo materijale sve do poslednje granice od samo jednog atoma. Ovo će imati veliki uticaj na prirodne i medicinske nauke, i možda čak pomoći da se pronađe lek koji može imati veliki uticaj na čovečanstvo. Ovo otkriće će promeniti svet - rekao je Hla.

Njihov rad, objavljen u naučnom magazinu Nature, 31. maja 2023. godine, objašnjava kako su Hla i nekoliko drugih naučnika upotrebili za tu namenu napravljen sinhrotroni instrument sa X-zracima u Nacionalnoj laboratoriji Argon. Za demonstraciju, tim je izabrao atom gvožđa i atom terbijuma, oba ubačena u molekulske "domaćine". Kako bi detektovao signal X-zraka jednog atoma, tim je konvencionalnim detektorima X-zraka dodao i specijalizovani detektor napravljen od oštrog metalnog vrha, pozicioniran u ekstremnoj blizini, kako bi sakupio elektrone "uzbuđene" X-zracima - tehnika poznata kao "sinhrotron X-zračna skenirajuća tunelska mikroskopija", ili SX-STM. Spektroskopija X-zraka u SX-STM je podstaknuta fotoapsorpcijom elektrona jezgrenog nivoa, što čini osnovni "otisak prsta" i efikasno je pri direktnoj identifikaciji elementalnih tipova materijala.

Prema Hla, spektri su kao otisci pristiju - svaki je unikatan i pomoću njega možemo otkriti tačno o čemu je reč.

- Tehnika koja je korišćena i koncept koji je dokazan u ovoj studiji otvorili su nova vrata u nauci X-zraka i izučavanju nano-veličina. Dalje, korišćenje X-zraka da se detektuju i karakterizuju pojedinačni atomi moglo bi da napravi revoluciju u istraživanju i stvori nove tehnologije u poljima kao što su kvantna informatika i detekcija tragova elemenata u okruženju i u medicinskim istraživanjima. Ovo takođe otvara vrata naprednoj upotrebi materijala u nauci - kaže Tolulope Majkl Adžaji, prvi autor studije.

U proteklih 12 godina, Hla je uključen u razvoj SX-STM instrumenta i metoda merenja zajedno sa Folkerom Rozom, naučnikom sa Argon Nacionalne laboratorije.

- Uspešno sam nadgledao četiri studenta i razvoj njihove teze koja se tiče razvoja SX-STM metoda u periodu od 12 godina. Prešli smo veliki put kako bismo uspeli da postignemo detekciju "potpisa" X-zraka pojedinačnog atoma - rekao je Hla.

Njegovo istraživanje je fokusirano na nano- i kvantne nauke sa naglaskom na razumevanje hemijskih i fizičkih osobina materijala na fundamentalnom nivou - na nivou pojedinačnih atoma. Pored toga što su detektovali "potpis" X-zraka jednog atoma, ključni cilj tima je bio da iskoriste ovu tehniku kako bi istražili uticaj okruženja na pojedinačni atom elementa retke zemlje.

- Otkrili smo hemijska stanja individualnih atoma, takođe. Poređenjem hemijskih stanja atoma gvožđa i atoma terbijuma unutar svojih molekularnih "domaćina", otkrili smo da je atom terbijuma, koji je element "retke zemlje" prilično izolovan i da ne menja svoje hemijsko stanje, dok atom gvožđa jako interaguje sa okolinom - objašnjava Hla.

Mnogi materijali "retkih zemalja" se koriste u svakodnevnim uređajima, kao što su mobilni telefoni, kompjuteri i televizori, i izuzetno su važni kad je reč o stvaranju i unapređivanju tehnologije. Kroz ovo otkriće, naučnici sada mogu da identifikuju ne samo tip elementa, nego i njegovo hemijsko stanje, što će im omogućiti da bolje manipulišu atomima unutar raznih materijala-domaćina, kako bi ispunili potrebe u raznim poljima nauke, koje se stalno menjaju.

Dalje, oni su razvili novi metod nazvan "rezonantno tunelovanje podstaktnuto X-zracima" ili X-ERT, koje im omogućava da detektuju kako se orbitali jednog molekula orijentišu na materijalnoj podlozi, pomoću X-zraka sinhrotrona.

- Ovo postignuće povezuje X-zrake sinhrotrona sa procesom kvantnog tunelinga, kako bi se otkrili "potpisi" X-zraka pojedinačnog atoma, i otvara mnoge uzbudljive smerove istraživanja, u šta spada i istraživanje kvantnih osobina i osobina magnetnog spina samo jednog atoma, koristeći X-zrake sinhrotrona - kaže Hla.

Hla i njegov tim će nastaviti da koriste X-zrake da otkrivaju osobine samo jednog atoma i da pronalaze načine da dalje koriste svoje otkriće.

(Telegraf Nauka/Science Daily)