Primeiro raio-X de um único átomo – ScienceDaily

Desde sua descoberta por Roentgen em 1895, os raios-X têm sido usados ​​em todos os lugares, desde exames médicos até triagens de segurança em aeroportos. Até o Curiosity, o rover da NASA em Marte, está equipado com um dispositivo de raios-X para examinar a composição dos materiais das rochas em Marte. Um uso importante dos raios X na ciência é identificar o tipo de material em uma amostra. Ao longo dos anos, a quantidade de materiais em uma amostra necessária para a detecção de raios-X foi bastante reduzida graças ao desenvolvimento de fontes de raios-X síncrotron e novos instrumentos. Até o momento, a menor quantidade que se pode radiografar uma amostra é em attograma, ou seja, cerca de 10.000 átomos ou mais. Isso ocorre porque o sinal de raios-X produzido por um átomo é extremamente fraco, de modo que os detectores de raios-X convencionais não podem ser usados ​​para detectá-lo. Segundo Hla, é um sonho antigo dos cientistas radiografar apenas um átomo, que agora está sendo realizado pela equipe de pesquisa liderada por ele.

“Os átomos podem ser visualizados rotineiramente com microscópios de sonda de varredura, mas sem raios-X não se pode dizer do que eles são feitos. Agora podemos detectar exatamente o tipo de um átomo específico, um átomo por vez, e podemos medir simultaneamente seu estado químico”, explicou Hla, que também é diretor do Instituto de Fenômenos Quânticos e Nanoescala da Universidade de Ohio. “Assim que conseguirmos fazer isso, poderemos rastrear os materiais até o limite máximo de apenas um átomo. Isso terá um grande impacto nas ciências ambientais e médicas e talvez até encontre uma cura que pode ter um grande impacto na humanidade. Isso descoberta transformará o mundo.”

Seu artigo, publicado na revista científica Natureza em 31 de maio de 2023 e estampando a capa da versão impressa da revista científica em 1º de junho de 2023, detalha como Hla e vários outros físicos e químicos, incluindo Ph.D. estudantes da OHIO, usaram um instrumento de raios-X síncrotron construído especificamente na linha de luz XTIP da Advanced Photon Source e no Center for Nanoscale Materials no Argonne National Laboratory.

Para demonstração, a equipe escolheu um átomo de ferro e um átomo de térbio, ambos inseridos em seus respectivos hospedeiros moleculares. Para detectar o sinal de raios-X de um átomo, a equipe de pesquisa complementou os detectores convencionais em raios-X com um detector especializado feito de uma ponta de metal afiada posicionada em extrema proximidade com a amostra para coletar elétrons excitados por raios-X – uma técnica conhecida como microscopia de tunelamento por varredura de raios X síncrotron ou SX-STM. A espectroscopia de raios X no SX-STM é desencadeada pela fotoabsorção de elétrons no nível do núcleo, que constituem impressões digitais elementares e são eficazes na identificação direta do tipo elementar dos materiais.

Segundo Hla, os espectros são como impressões digitais, cada um sendo único e capaz de detectar exatamente o que é.

“A técnica usada e o conceito comprovado neste estudo abriram novos caminhos na ciência dos raios X e nos estudos em nanoescala”, disse Tolulope Michael Ajayi, que é o primeiro autor do artigo e faz este trabalho como parte de seu doutorado. tese. “Além disso, o uso de raios X para detectar e caracterizar átomos individuais pode revolucionar a pesquisa e dar origem a novas tecnologias em áreas como informação quântica e detecção de oligoelementos em pesquisas médicas e ambientais, para citar algumas. Essa conquista também abre o caminho para instrumentação de ciência de materiais avançados.”

Nos últimos 12 anos, Hla esteve envolvida no desenvolvimento de um instrumento SX-STM e seus métodos de medição junto com Volker Rose, um cientista da Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory.

“Pude supervisionar com sucesso quatro alunos de pós-graduação da OHIO para suas teses de doutorado relacionadas ao desenvolvimento do método SX-STM durante um período de 12 anos. Percorremos um longo caminho para alcançar a detecção de um único átomo de raios-X assinatura”, disse Hla.

O estudo de Hla é focado em ciências nano e quânticas com ênfase particular na compreensão das propriedades químicas e físicas dos materiais no nível fundamental – com base no átomo individual. Além de obter a assinatura de raios-X de um átomo, o principal objetivo da equipe era usar essa técnica para investigar o efeito ambiental em um único átomo de terras raras.

“Também detectamos os estados químicos de átomos individuais”, explicou Hla. “Ao comparar os estados químicos de um átomo de ferro e um átomo de térbio dentro de seus respectivos hospedeiros moleculares, descobrimos que o átomo de térbio, um metal de terras raras, é bastante isolado e não muda seu estado químico enquanto o átomo de ferro interage fortemente com seu em torno da.”

Muitos materiais de terras raras são usados ​​em dispositivos cotidianos, como telefones celulares, computadores e televisores, para citar alguns, e são extremamente importantes na criação e avanço da tecnologia. Por meio dessa descoberta, os cientistas agora podem identificar não apenas o tipo de elemento, mas também seu estado químico, o que lhes permitirá manipular melhor os átomos dentro de diferentes materiais para atender às necessidades em constante mudança em vários campos. Além disso, eles também desenvolveram um novo método chamado “tunelamento por ressonância excitada por raios-X ou X-ERT” que permite detectar como os orbitais de uma única molécula se orientam em uma superfície de material usando raios-X síncrotron.

“Esta conquista conecta os raios-X síncrotron com o processo de tunelamento quântico para detectar a assinatura de raios-X de um átomo individual e abre muitas direções interessantes de pesquisa, incluindo a pesquisa sobre propriedades quânticas e de spin (magnéticas) de apenas um átomo usando raios-X síncrotron,” disse Hla.

Além de Ajayi, vários outros alunos de pós-graduação da OHIO, incluindo o atual Ph.D. alunos Sineth Premarathna em Física e Xinyue Cheng em Química, bem como Ph.D. Os ex-alunos de Física Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas e Anh T. Ngo, atualmente professor associado de Engenharia Química na Universidade de Illinois-Chicago, estiveram envolvidos nesta pesquisa. Faculdade de Artes e Ciências Roenigk Chair e Professor de Química Eric Masson projetou e sintetizou a molécula de terra rara usada neste estudo.

No futuro, Hla e sua equipe de pesquisa continuarão a usar raios-X para detectar propriedades de apenas um átomo e encontrar maneiras de revolucionar ainda mais suas aplicações para uso na coleta de materiais críticos, pesquisas e muito mais.