Der Gedanke an Röntgenstrahlen kann Erinnerungen an Knochenbrüche oder zahnärztliche Kontrolluntersuchungen wecken. Aber dieses extrem energiereiche Licht kann uns mehr als nur unsere Knochen zeigen: Es wird auch verwendet, um die molekulare Welt zu studieren, sogar biochemische Reaktionen in Echtzeit. Ein Problem ist jedoch, dass es Forschern noch nie gelungen ist, ein einzelnes Atom mit Röntgenstrahlen zu untersuchen. Bis jetzt.
Wissenschaftler konnten mithilfe von Röntgenstrahlen ein einzelnes Atom charakterisieren. Sie waren nicht nur in der Lage, die Art der Atome zu unterscheiden, die sie sahen (es gab zwei verschiedene), sondern es gelang ihnen auch, das chemische Verhalten dieser Atome zu untersuchen.
„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 seinen chemischen Zustand messen“, sagte der leitende Autor Professor Saw Wai Hla von der University of Ohio und dem Argonne National Laboratory ein Statement.
„Sobald wir dazu in der Lage sind, können wir die Materialien bis zur endgültigen Grenze von nur einem Atom zurückverfolgen. Dies wird große Auswirkungen auf die Umwelt- und Medizinwissenschaften haben und möglicherweise sogar ein Heilmittel finden, das enorme Auswirkungen auf die Menschheit haben kann. Diese Entdeckung wird die Welt verändern.“
Rastertunnelmikroskopie supramolekularer Terbiumanordnungen, mit dem Terbiumatom im Zentrum jeder Struktur.
Bildnachweis: Ajayi et al., Nature, 2023
Die Arbeit konnte ein Eisenatom und ein Atom von Terbium aufspüren, einem Element, das zu den sogenannten Seltenerdmetallen gehört. Beide wurden in ihre jeweiligen molekularen Wirte eingefügt. Ein herkömmlicher Röntgendetektor wurde durch einen ganz besonderen ergänzt. Letzteres hatte eine spezielle scharfe Metallspitze, die sehr nahe an der Probe platziert werden musste, um die durch Röntgenstrahlen angeregten Elektronen aufzufangen. Anhand der an der Spitze gesammelten Messungen konnte das Team erkennen, ob es sich um Eisen oder Terbium handelte, und das ist noch nicht alles.
„Wir haben auch die chemischen Zustände einzelner Atome erfasst“, erklärte Hla. „Durch den Vergleich der chemischen Zustände eines Eisenatoms und eines Terbiumatoms in jeweiligen molekularen Wirten stellen wir fest, dass das Terbiumatom, ein Seltenerdmetall, eher isoliert ist und seinen chemischen Zustand nicht ändert, während das Eisenatom stark mit ihm interagiert.“ Umgebung.“
Bilder der supramolekularen Anordnungen mit sechs Rubidiumatomen und einem Eisenatom.
Bildnachweis: Ajayi et al., Nature, 2023
Das vom Detektor erfasste Signal wurde mit Fingerabdrücken verglichen. Es ermöglicht Forschern, die Zusammensetzung einer Probe zu verstehen und deren physikalische und chemische Eigenschaften zu untersuchen. Dies könnte für eine verbesserte Leistung und Anwendung einer Vielzahl gängiger und weniger verbreiteter Materialien von entscheidender Bedeutung sein.
„Die verwendete Technik und das in dieser Studie bewährte Konzept haben neue Wege in der Röntgenwissenschaft und in Nanoskalenstudien beschritten“, sagte Tolulope Michael Ajayi, der Erstautor der Arbeit und diese Arbeit im Rahmen seiner Doktorarbeit verfasste. „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 dem Nachweis von Spurenelementen in der Umwelt- und medizinischen Forschung hervorbringen, um nur einige zu nennen.“ Dieser Erfolg ebnet auch den Weg für fortschrittliche materialwissenschaftliche Instrumente.“
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Eine frühere Version dieses Artikels wurde in veröffentlicht Mai 2023.