НАУКА

Перший у світі рентгенівський знімок одного атома розкриває хімію на найменшому рівні

Поширити:

Атоми можуть не мати кісток, але ми все одно хочемо знати, як вони складаються разом. Ці крихітні частинки є основою, на якій побудована вся нормальна матерія (включаючи наші кістки), і розуміння їх допомагає нам зрозуміти більший Всесвіт.

Зараз ми використовуємо високоенергетичне рентгенівське світло, щоб допомогти нам зрозуміти атоми та молекули та їхнє розташування, вловлюючи дифраговані промені, щоб реконструювати їх конфігурації в кристалічній формі.

Тепер вчені використали рентгенівські промені, щоб охарактеризувати властивості окремого атома, показавши, що цей метод можна використовувати для розуміння матерії на рівні її найдрібніших будівельних блоків.

«Тут, — пише міжнародна група під керівництвом фізика Толулопе Аджаї з Університету Огайо та Аргоннської національної лабораторії в США, — ми показуємо, що рентгенівські промені можна використовувати для характеристики елементного та хімічного стану лише одного атома».

Схема супрамолекулярної збірки заліза з атомом заліза червоним і рубідієм блакитним. (Ajayi та ін., Nature , 2023)

Рентгенівські промені вважаються придатним зондом для визначення характеристик матеріалів на атомному рівні, оскільки їхній розподіл довжини хвилі можна порівняти з розміром атома.

Читайте також:  Новий метод може знищити 95% токсичних елементів у воді всього за 45 хвилин

І є кілька методів, як кинути рентгенівські промені на речі, щоб побачити, як вони зібрані в дійсно крихітних масштабах.

Одним із них є синхротронне рентгенівське випромінювання , у якому електрони прискорюються по круговій доріжці до точки, у якій вони яскраво світяться світлом високої енергії.

Щоб спробувати розділити дійсно дрібні масштаби, Аджаї та його колеги використали техніку, яка поєднує синхротронне рентгенівське випромінювання з технікою мікроскопії для отримання зображень в атомному масштабі, яка називається скануючою тунельною мікроскопією . Для цього використовується чудовий провідний зонд із гострим кінчиком, який взаємодіє з електронами досліджуваного матеріалу за допомогою так званого «квантового тунелювання».

На дуже близькій відстані (наприклад, півнанометра) точне положення електрона є невизначеним, розмазуючи його по простору між матеріалом і зондом; тоді стан атома можна виміряти в результуючому струмі.

Разом ці два методи відомі як синхротронна рентгенівська скануюча тунельна мікроскопія (SX-STM). Посилене рентгенівське випромінювання збуджує зразок, а голчастий детектор збирає отримані фотоелектрони. І це захоплююча техніка, яка відкриває досить неймовірні можливості: минулого року команда опублікувала статтю про використання SX-STM для обертання однієї молекули .

Читайте також:  Учені синтезували матеріал - майже такий самий твердий, як алмаз

Цього разу вони пішли ще менше, намагаючись виміряти властивості одного атома заліза. Вони окремо створили супрамолекулярні агрегати , включаючи іони заліза та тербію всередині кільця атомів у тому, що називається лігандом. Один атом заліза і шість атомів рубідію були пов’язані з терпіридиновими лігандами; Тербій, кисень і бром були зв’язані за допомогою піридин-2,6-дикарбоксамідних лігандів.

Ліворуч: схема супрамолекулярної збірки тербію з тербієм у блакитному кольорі, бромом у синьому та киснем у червоному. Зліва: SX-STM зображення супрамолекулярних агрегатів тербію. (Ajayi та ін., Nature , 2023)

Потім ці зразки піддавали SX-STM.

Світло, яке отримує детектор, не те саме, що світло, яке випромінює зразок. Деякі довжини хвиль поглинаються електронами в атомному ядрі, що означає, що на отриманому рентгенівському спектрі є деякі темніші лінії.

Команда виявила, що ці темніші лінії узгоджуються з довжинами хвиль, які поглинають залізо та тербій відповідно. Спектри поглинання також можуть бути проаналізовані для визначення хімічних станів цих атомів.

Читайте також:  Майже вся Сонячна система буде видима сьогодні ввечері

З атомом заліза сталося щось цікаве. Рентгенівський сигнал можна було виявити лише тоді, коли кінчик зонда був розташований точно над атомом заліза в його супрамолекулярній структурі та на дуже близькій відстані.

Це, кажуть дослідники, підтверджує виявлення в режимі тунелювання. Оскільки тунелювання є квантовим явищем, це має значення для вивчення квантової механіки.

«Наша робота, — пишуть дослідники , — пов’язує синхротронне рентгенівське випромінювання з процесом квантового тунелювання та відкриває майбутні експерименти з рентгенівськими променями для одночасної характеристики елементних і хімічних властивостей матеріалів на кінцевій межі з одним атомом».

Це, мабуть, принаймні так само добре, як кістки.

+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0