Перший у світі рентгенівський знімок одного атома розкриває хімію на найменшому рівні
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».
![](https://nnews.com.ua/wp-content/plugins/phastpress/phast.php?service=images&src=https%3A%2F%2Fnnews.com.ua%2Fwp-content%2Fuploads%2F2023%2F06%2Fsupramolecular-assembly-iron-642x509.jpg&cacheMarker=1717512873-26575&token=fef3d0df32a3c8da)
Рентгенівські промені вважаються придатним зондом для визначення характеристик матеріалів на атомному рівні, оскільки їхній розподіл довжини хвилі можна порівняти з розміром атома.
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 .
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.
![](https://nnews.com.ua/wp-content/plugins/phastpress/phast.php?service=images&src=https%3A%2F%2Fnnews.com.ua%2Fwp-content%2Fuploads%2F2023%2F06%2Fmolecular-assembly-terbium-642x307.jpg&cacheMarker=1717512872-27884&token=918208eeb499757e)
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.
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.