Vielen Laien wird nicht bewusst sein, dass es der Wissenschaft noch nie gelungen ist, ein einziges Atom zu röntgen.
Das Beste, was aktuelle Synchrotronscanner auf dem neuesten Stand der Technik leisten können, ist die Röntgenaufnahme eines Attogramms – etwa 10.000 Atome –, aber das von einem einzelnen Atom erzeugte Signal ist so schwach, dass herkömmliche Detektoren nicht verwendet werden können. Bis jetzt.
Diese bahnbrechende Leistung wurde dank eines speziell gebauten Synchrotroninstruments am Argonne National Laboratory in Illinois erreicht, das eine Technik namens SX-STM (Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie) nutzt.
Die Forscher hinter dem Durchbruch sagen, dass er den Weg für die Suche nach Heilmitteln für schwere lebensbedrohliche Krankheiten, die Entwicklung superschneller Quantencomputer und andere Fortschritte in den Material- und Ökowissenschaften ebnet.
Atome sind die Teilchen, die Moleküle bilden, und die Grenze, bis zu der jede Substanz chemisch zerlegt werden kann. In einem Golfball sind so viele davon, wie Golfbälle auf die Erde passen würden.
SX-STM kann sie nun in verschwindend geringem Maße messen. Das Kunststück wurde als „heiliger Gral“ der Physik und als langjähriger Traum von Professor Saw Wai Hla von der Ohio State University beschrieben, dem Hauptautor des Papiers, in dem die Entdeckung erläutert wird.
„Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden – aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen“, erklärte Dr. Hla. „Wir können jetzt die Art eines bestimmten Atoms genau erkennen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen. Diese Entdeckung wird die Welt verändern.“
Seit ihrer Entdeckung durch Röntgen im Jahr 1895 wurden Röntgenstrahlen in Dutzenden von Anwendungen und Bereichen eingesetzt, von medizinischen Untersuchungen bis hin zu Sicherheitskontrollen auf Flughäfen.
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Der Marsrover Curiosity der NASA ist mit einem Röntgengerät ausgestattet, um die Zusammensetzung der Gesteine zu untersuchen.
Eine wichtige Verwendung von Röntgenstrahlen in der Wissenschaft besteht darin, die Art der Materialien in einer Probe zu identifizieren. Dank der Entwicklung der Synchrotron-Röntgenstrahlung konnte im Laufe der Jahre die für die Röntgendetektion erforderliche Materialmenge in einer Probe erheblich reduziert werden.
SX-STM sammelt angeregte Elektronen, Teilchen an der Außenseite eines Atoms, die sich um die Protonen und Neutronen im Inneren bewegen, und das so erzeugte Spektrum ist wie ein Fingerabdruck, der die genaue Erkennung des Atoms ermöglicht.
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„Die in dieser Studie verwendete Technik und das bewährte Konzept haben neue Wege in der Röntgenwissenschaft und in Nanostudien eröffnet“, sagte Erstautor Tolulope Michael Ajayi, ein Doktorand in Ohio.
„Darüber hinaus könnte der Einsatz 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 Instrumente für die Materialwissenschaft.“
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