Первый в мире рентгеновский снимок одного атома раскрывает химию на самом маленьком уровне

У атомов может не быть костей, но мы все равно хотим знать, как они устроены. Эти крошечные частицы являются основой, на которой построена вся нормальная материя (включая наши кости), и их понимание помогает нам понять большую Вселенную.

В настоящее время мы используем высокоэнергетическое рентгеновское излучение, чтобы помочь нам понять атомы и молекулы и то, как они расположены, улавливая дифрагированные лучи, чтобы реконструировать их конфигурации в кристаллической форме.

Теперь ученые использовали рентгеновские лучи, чтобы охарактеризовать свойства отдельного атома, показывая, что этот метод может можно использовать для понимания материи на уровне ее мельчайших строительных блоков.

«Здесь, — пишет международная группа под руководством физика Толулопа Аджайи из Университета Огайо и Аргоннской национальной лаборатории в США, — мы показываем, что X -лучи можно использовать для характеристики элементного и химического состояния всего одного атома.»

Рентгеновские лучи считаются подходящим зондом для определения характеристик материалов на атомном уровне, поскольку их распределение длин волн сравнимо с размером атома.

Существует несколько методов облучения объектов рентгеновскими лучами, чтобы увидеть, как они устроены в очень крошечных масштабах.

Одним из них является синхротронное рентгеновское излучение, при котором электроны ускоряются. по круговой траектории до точки, в которой они ярко светятся высокоэнергетическим светом.

Чтобы попытаться разрешить очень мелкие масштабы, Аджайи и его коллеги использовали метод, сочетающий синхротронные рентгеновские лучи с методом микроскопии для атомно- изображение в масштабе называется сканирующей туннельной микроскопией. При этом используется превосходный проводящий зонд с острым наконечником, который взаимодействует с электронами исследуемого материала в так называемом «квантовом туннелировании».

На очень близком расстоянии (например, в половине нанометра) точное положение электрон неуверенно размазывает его по пространству между материалом и зондом; затем можно измерить состояние атома в результирующем токе.

Вместе эти два метода известны как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия (SX-STM). Усиленное рентгеновское излучение возбуждает образец, и игольчатый детектор собирает образующиеся фотоэлектроны. И это захватывающий метод, который открывает довольно невероятные возможности: в прошлом году команда опубликовала статью об использовании SX-STM для вращения одной молекулы.

На этот раз они пошли еще меньше, пытаясь измерить свойства одного атома железа. Они отдельно создали надмолекулярные сборки, включающие ионы железа и тербия внутри кольца атомов в так называемом лиганде. Один атом железа и шесть атомов рубидия связаны с терпиридиновыми лигандами; тербий, кислород и бром были связаны с помощью пиридин-2,6-дикарбоксамидных лигандов.

Эти образцы были затем подвергнуты SX-STM.

Свет, который получает детектор, отличается от свет падает на образец. Некоторые длины волн поглощаются электронами в атомном ядре, а это означает, что в полученном рентгеновском спектре есть несколько более темных линий.

Эти более темные линии, как обнаружила команда, соответствуют длинам волн, поглощаемым железом. и тербия соответственно. Спектры поглощения также можно было проанализировать, чтобы определить химические состояния этих атомов.

Для атома железа произошло нечто интересное. Рентгеновский сигнал можно было обнаружить только тогда, когда кончик зонда располагался точно над атомом железа в его надмолекулярной структуре и в предельно близком расстоянии.

Это, по словам исследователей, подтверждает обнаружение в туннельном режиме. Поскольку туннелирование является квантовым явлением, это имеет значение для изучения квантовой механики.

«Наша работа, — пишут исследователи, — связывает синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования и открывает будущие рентгеновские эксперименты для одновременные характеристики элементных и химических свойств материалов на пределе одного атома.»

Это, вероятно, по крайней мере так же хорошо, как кости.

Исследование опубликовано в Природа.