Das X eines einzelnen Atoms

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Wissenschaftler haben erstmals die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms gemessen. Die Arbeit wurde in Nature veröffentlicht und von einem multizentrischen Team verfasst, dem Forscher der Ohio University, des Argonne National Laboratory, der University of Illinois-Chicago und anderer angehörten. Die Studie könnte einen großen Einfluss darauf haben, wie Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung von Materialien erkennen.

Röntgenstrahlen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt – vom Scannen gebrochener Knochen bis zur Erkennung von Sicherheitsrisiken auf Flughäfen. In der wissenschaftlichen Forschung werden Röntgenstrahlen zur Analyse der Eigenschaften von Materialien eingesetzt. Fortschritte in der Analyseinstrumentierung, wie etwa die Einführung des Röntgensynchrotrons, haben die Probengröße verringert, die für eine genaue Messung erforderlich ist. Derzeit ist die kleinste Menge einer Substanz, die für die Röntgenanalyse benötigt wird, ein Attogramm – also etwa 10.000 Atome oder mehr. Der neue Fortschritt stellt einen großen Fortschritt in unseren Erkennungsfähigkeiten dar.

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Bisher existierte die Attogrammgrenze aufgrund der Schwäche des Röntgensignals, das von kleineren Atommengen erzeugt wird. Saw Wai Hla, ein Forscher am Argonne National Laboratory und Professor für Physik an der Ohio University, sagte, dass Wissenschaftler seit langem auf eine Technik zur Abbildung einer kleineren Anzahl von Atomen abzielen. „Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen. Wir können jetzt genau die Art eines bestimmten Atoms erkennen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig seine chemische Zusammensetzung messen.“ Zustand“, sagte Hla.

Um diese physikalische Barriere zu überwinden, nutzten Hla und sein Team ein speziell angefertigtes Röntgensynchrotron, das im Center for Nanoscale Materials des Argonne National Laboratory untergebracht ist.

In der Arbeit demonstrierten die Forscher ihre Technik, indem sie die Signale eines Eisen- und eines Terbiumatoms charakterisierten. Die Forscher ergänzten herkömmliche Röntgengeräte um einen speziellen Detektor. Dieser Bonusscanner verfügte über einen scharfen Metallstab, der direkt neben der Probe platziert wurde. Die extreme Nähe des Stabes ermöglichte es ihm, angeregte Elektronen aufzusaugen, die beim Scannen der Probe erzeugt wurden. Diese Methode wird als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie oder SX-STM bezeichnet. Die von den Atomen emittierte Energie ist an ihre physikalischen Kerneigenschaften gebunden, was bedeutet, dass sie einzigartige elementare „Fingerabdrücke“ darstellen, die die Identifizierung des Atoms ermöglichen.

„Die verwendete Technik und das in dieser Studie bewährte Konzept haben neue Wege in der Röntgenwissenschaft und in Nanostudien eröffnet“, sagte Tolulope Michael Ajayi, Doktorandin und Erstautorin der Studie. „Darüber hinaus könnte die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Erkennung und Charakterisierung einzelner Atome die Forschung revolutionieren und neue Technologien in Bereichen wie der Quanteninformation und der Erkennung von Spurenelementen in der Umwelt- und medizinischen Forschung hervorbringen, um nur einige zu nennen. Diese Errungenschaft eröffnet auch.“ der Weg für fortschrittliche materialwissenschaftliche Instrumente.“

Anschließend charakterisierte das Team, wie sich die Speicherung in verschiedenen molekularen Wirten auf die Atome auswirkte. „Wir stellen fest, dass das Terbiumatom, ein Seltenerdmetall, eher isoliert ist und seinen chemischen Zustand nicht ändert, während das Eisenatom stark mit seiner Umgebung interagiert“, sagte Hla.

Die Anwendungen dieses neuen Wissens erstrecken sich über viele Bereiche. Seltenerdmetalle wie Terbium sind Schlüsselbestandteile alltäglicher Geräte wie Fernseher und Telefone, aber auch in fortschrittlicher Technologie wie Lasern und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt. Die neuen Erkenntnisse werden es Wissenschaftlern, die mit diesen Materialien arbeiten, ermöglichen, besser zu verstehen, wie ihre chemischen Eigenschaften durch ihre Umgebung verändert werden, was noch mehr potenzielle Einsatzmöglichkeiten für diese Elemente eröffnen dürfte.

Darüber hinaus entwickelte das Team eine neuartige Technik namens X-Ray Excited Resonance Tunneling (X-ERT). Diese Methode ermöglicht die Erkennung einzelner Molekülorbitalorientierungen auf einer Materialoberfläche mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen.

„Diese Errungenschaft verbindet Synchrotron-Röntgenstrahlen mit dem Quantentunnelprozess, um die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms zu erfassen, und eröffnet viele spannende Forschungsrichtungen, einschließlich der Erforschung der Quanten- und Spin-(magnetischen) Eigenschaften nur eines Atoms mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen.“ „, sagte Hla.

Hla kam zu dem Schluss: „Dies wird große Auswirkungen auf die Umwelt- und Medizinwissenschaften haben und vielleicht sogar ein Heilmittel finden, das enorme Auswirkungen auf die Menschheit haben kann. Diese Entdeckung wird die Welt verändern.“

Referenz: Ajayi TM, Shirato N, Rojas T, et al. Charakterisierung nur eines Atoms mittels Synchrotron-Röntgenstrahlung. Natur. 2023;618(7963):69-73. doi:10.1038/s41586-023-06011-w

Dieser Artikel ist eine Überarbeitung einer Pressemitteilung der Ohio University. Das Material wurde hinsichtlich Länge und Inhalt bearbeitet.