Gli scienziati segnalano il primo X

Un team di scienziati dell'Università dell'Ohio, dell'Argonne National Laboratory, dell'Università dell'Illinois-Chicago e altri, guidati dal professore di fisica dell'Ohio University e dallo scienziato dell'Argonne National Laboratory, Saw Wai Hla, hanno rilevato il primo SEGNALE a raggi X al mondo ( o FIRMA) di un solo atomo. Questo risultato rivoluzionario è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Basic Energy Sciences e potrebbe rivoluzionare il modo in cui gli scienziati rilevano i materiali.

Dalla sua scoperta da parte di Roentgen nel 1895, i raggi X sono stati utilizzati ovunque, dagli esami medici ai controlli di sicurezza negli aeroporti. Anche Curiosity, il rover su Marte della NASA, è dotato di un dispositivo a raggi X per esaminare la composizione dei materiali delle rocce su Marte. Un uso importante dei raggi X nella scienza è identificare il tipo di materiali in un campione. Nel corso degli anni, la quantità di materiali presenti in un campione necessari per la rilevazione dei raggi X è stata notevolmente ridotta grazie allo sviluppo di sorgenti di raggi X di sincrotrone e di nuovi strumenti. Ad oggi, la quantità più piccola che è possibile sottoporre a raggi X di un campione è l'attogramma, ovvero circa 10.000 atomi o più. Ciò è dovuto al fatto che il segnale dei raggi X prodotto da un atomo è estremamente debole, tanto che i convenzionali rilevatori di raggi X non possono essere utilizzati per rilevarlo. Secondo Hla, radiografare un solo atomo è il sogno di lunga data degli scienziati, che ora viene realizzato dal gruppo di ricerca da lui guidato.

"Gli atomi possono essere normalmente fotografati con microscopi a sonda a scansione, ma senza i raggi X non è possibile dire di cosa sono fatti. Ora possiamo rilevare esattamente il tipo di un particolare atomo, un atomo alla volta, e possiamo misurare simultaneamente il suo stato chimico", ha spiegato Hla, che è anche direttore del Nanoscale and Quantum Phenomena Institute presso l'Università dell'Ohio. "Una volta che saremo in grado di farlo, potremo rintracciare i materiali fino al limite ultimo di un solo atomo. Ciò avrà un grande impatto sulle scienze ambientali e mediche e forse anche trovare una cura che possa avere un enorme impatto per l'umanità. Questo la scoperta trasformerà il mondo."

Il loro articolo, pubblicato sulla rivista scientifica Nature (DOI 10.1038/s41586-023-06011-w) il 31 maggio 2023 e che abbellisce la copertina della versione stampata della rivista scientifica il 1 giugno 2023, descrive in dettaglio come Hla e diversi altri fisici e chimici, incluso il dottorato di ricerca. studenti dell'OHIO, hanno utilizzato uno strumento a raggi X di sincrotrone appositamente costruito presso la linea di luce XTIP di Advanced Photon Source e il Center for Nanoscale Materials presso l'Argonne National Laboratory.

A scopo dimostrativo, il team ha scelto un atomo di ferro e un atomo di terbio, entrambi inseriti nei rispettivi ospiti molecolari. Per rilevare il segnale dei raggi X di un atomo, il gruppo di ricerca ha integrato i rilevatori convenzionali di raggi X con un rilevatore specializzato costituito da una punta metallica affilata posizionata in estrema prossimità al campione per raccogliere gli elettroni eccitati dai raggi X – una tecnica nota come sincrotrone. Microscopia a effetto tunnel a scansione di raggi X o SX-STM. La spettroscopia a raggi X in SX-STM è innescata dal fotoassorbimento degli elettroni a livello del nucleo, che costituisce le impronte digitali elementali ed è efficace nell'identificare direttamente il tipo elementare dei materiali.

Secondo Hla, gli spettri sono come impronte digitali, ognuno è unico e in grado di rilevare esattamente di cosa si tratta.

"La tecnica utilizzata e il concetto dimostrato in questo studio hanno aperto nuove strade nella scienza dei raggi X e negli studi su scala nanometrica", ha affermato Tolulope Michael Ajayi, che è il primo autore dell'articolo e sta svolgendo questo lavoro come parte del suo dottorato di ricerca. tesi. "Inoltre, l'uso dei raggi X per rilevare e caratterizzare i singoli atomi potrebbe rivoluzionare la ricerca e dare vita a nuove tecnologie in settori quali l'informazione quantistica e il rilevamento di oligoelementi nella ricerca ambientale e medica, solo per citarne alcuni. Questo risultato apre anche la strada per la strumentazione avanzata della scienza dei materiali."

Negli ultimi 12 anni, Hla è stata coinvolta nello sviluppo di uno strumento SX-STM e dei suoi metodi di misurazione insieme a Volker Rose, uno scienziato dell'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory.