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».
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.
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.
