Científicos analizan un solo átomo con rayos X por primera vez

En las instalaciones de rayos X más poderosas del mundo, los científicos pueden analizar muestras tan pequeñas que contienen solo 10,000 átomos. Los tamaños pequeños han resultado extremadamente difíciles de lograr, pero un equipo multiempresarial se ha reducido a un ápice.

“Los haces de rayos X se utilizan en todas partes, incluido el escaneo de seguridad, las imágenes médicas y la investigación básica”, dijo Su Wai Hla, física del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y profesora de la Universidad de Ohio. Pero desde el descubrimiento de los rayos X en 1895, los científicos no han podido detectar y analizar un solo átomo. Ha sido un sueño de los científicos poder hacer esto durante décadas. Ahora podemos.»

Como acaba de anunciar en naturalezaY Científicos de Argonne y varias universidades informan que pueden caracterizar el tipo de elemento y las propiedades químicas de un solo átomo utilizando haces de rayos X. Esta nueva capacidad influirá en la investigación básica en muchas disciplinas científicas y en el desarrollo de nuevas tecnologías.

Los resultados de rayos X producen una especie de huella dactilar del tipo de elementos en el material. Por ejemplo, el rover Curiosity de la NASA recolectó pequeñas muestras de arena en Marte y luego determinó con análisis de rayos X que su contenido era similar al suelo volcánico en Hawai.

«La capacidad de estudiar un átomo a la vez revolucionará las aplicaciones de rayos X a un nivel sin precedentes, desde la tecnología de la información cuántica hasta la investigación médica y medioambiental». – Sao Wai Hla, físico de Argonne y profesor de la Universidad de Ohio

Usando poderosas máquinas de rayos X llamadas sincrotrones fuentes de luzLos científicos pueden analizar muestras tan pequeñas como una milmillonésima de una milmillonésima de gramo. Estas muestras contienen alrededor de 10.000 átomos. Los tamaños pequeños resultaron extremadamente difíciles de lograr, pero en un salto asombroso, el equipo logró reducir sus observaciones a un solo átomo.

“Se ha hablado mucho de la palabra transformacional, pero creo que este descubrimiento es realmente un gran avance”, dijo Hala. “Estaba tan emocionada que apenas podía dormir mientras imaginaba los posibles usos en el desarrollo de baterías, dispositivos microelectrónicos e incluso en la investigación médica y ambiental”.

Para caracterizar un solo átomo con rayos X, debe aislarse del mismo tipo de átomos. Para hacer esto, el equipo primero unió un solo átomo de hierro en una molécula de tamaño nanométrico formada por diferentes elementos.

Luego, tomaron la muestra para analizarla utilizando el potente haz de rayos X en una fuente de luz de argón, la Fuente de fotones avanzada (APS). El equipo detectó el átomo único en la muestra en una línea de luz (XTIP) compartida por APS y el Centro de Nanomateriales (CNM). Ambos son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Argonne. La línea de luz incluye la sonda para microscopía de túnel de barrido (STM).

“Un premio del Programa de investigación de carrera temprana del DOE que recibí en 2012 me permitió reunir un equipo de científicos e ingenieros apasionados por desarrollar la técnica de microscopía utilizada en este estudio”, dijo Volker Rose, físico de APS y CNM. “Juntos, desarrollamos y construimos este exclusivo microscopio de línea de luz XTIP gracias a la financiación adicional del Departamento de Energía”.

Una avalancha de fotones de los haces de rayos X bombardea la muestra y hace que emita electrones. La sonda STM, colocada a menos de un nanómetro por encima de la superficie de la muestra, recoge la señal eléctrica debida a los electrones emitidos. Los espectros resultantes (gráficos de corriente versus energía fotónica) son las «huellas dactilares» de los elementos en la tabla periódica. Cada artículo tiene una huella digital única. Al examinar la superficie de una muestra, los científicos pueden identificar el elemento de un átomo en particular y su ubicación exacta.

Hay mas. También pueden determinar el estado químico de un átomo a partir del mismo espectro. El estado químico está relacionado con el hecho de que los átomos pueden perder cierta cantidad de electrones; Por ejemplo, el hierro puede perder dos, tres o cuatro electrones. El estado químico refleja la cantidad de electrones perdidos y es importante que los científicos lo sepan porque afecta las propiedades físicas, químicas y electrónicas de un átomo.

Para demostrar la aplicabilidad más amplia de la nueva capacidad, el equipo repitió con éxito el mismo análisis de rayos X utilizando terbio, un elemento de tierras raras. Las tierras raras son esenciales para la microelectrónica, las baterías, los fuselajes y más. Esta técnica también es aplicable a elementos además de los metales. Al conocer las propiedades de los átomos individuales, los científicos pueden explotar sus usos en materiales de nuevas formas.

«La capacidad de estudiar un átomo a la vez revolucionará las aplicaciones de rayos X a un nivel sin precedentes, desde la tecnología de la información cuántica hasta la investigación médica y ambiental», dijo Hla.

Además de Hla y Rose, otros autores de Argonne han hecho Papel de la naturaleza Entre ellos se encuentran Tololop M. Ajay, Nozomi Shirato, Tomas Rojas, Sarah Weigold, Kyaw Zen Lat, Daniel J. Los colaboradores de la Universidad de Ohio incluyen a Xinyue Cheng, Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang y Eric Masson. Otros colaboradores son Xiaopeng Li de la Universidad de Shenzhen. Yiming Li, Universidad del Sur de Florida; y Natalie Kyritsakas, Universidad de Estrasburgo.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía. Los recursos informáticos fueron proporcionados por el Argonne Laboratory Computing Resource Center.

imagen: Izquierda: Fotografía de un huésped molecular en forma de anillo que contiene solo un átomo de hierro. Derecha: espectro de absorción de rayos X de un solo átomo detectado en el sitio B en el anillo molecular. El espectro coincide con el hierro. imagen por el Laboratorio Nacional de Argonne.