Un equipo de científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad de Illinois-Chicago y otros, dirigidos por el Profesor de Física de la Universidad de Ohio y el científico del Laboratorio Nacional de Argonne, Saw Wai Hla, tomaron la primera SEÑAL de rayos X del mundo ( o FIRMA) de un solo átomo. Este logro innovador fue financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. y podría revolucionar la forma en que los científicos detectan los materiales.
Desde su descubrimiento por Roentgen en 1895, los rayos X se han utilizado en todas partes, desde exámenes médicos hasta controles de seguridad en aeropuertos. Incluso Curiosity, el rover de Marte de la NASA, está equipado con un dispositivo de rayos X para examinar la composición de los materiales de las rocas de Marte. Un uso importante de los rayos X en la ciencia es identificar el tipo de materiales en una muestra. A lo largo de los años, la cantidad de materiales necesarios en una muestra para la detección de rayos X se ha reducido considerablemente gracias al desarrollo de fuentes de rayos X de sincrotrón y nuevos instrumentos. Hasta la fecha, la cantidad más pequeña que se puede someter a rayos X a una muestra está en atogramas, es decir, unos 10.000 átomos o más. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un átomo es extremadamente débil, por lo que los detectores de rayos X convencionales no pueden usarse para detectarla. Según Hla, es un sueño de larga data de los científicos obtener una radiografía de un solo átomo, que ahora está siendo realizado por el equipo de investigación dirigido por él.
«Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico», explicó Hla, quien también es directora del Instituto de Fenómenos Cuánticos y de Nanoescala de la Universidad de Ohio. «Una vez que podamos hacer eso, podremos rastrear los materiales hasta el límite máximo de un solo átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias médicas y ambientales y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Esto descubrimiento transformará el mundo».
Su artículo, publicado en la revista científica Naturaleza el 31 de mayo de 2023, y adornando la portada de la versión impresa de la revista científica el 1 de junio de 2023, detalla cómo Hla y varios otros físicos y químicos, incluido Ph.D. estudiantes de OHIO, utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de Advanced Photon Source y el Centro de Materiales a Nanoescala en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Para la demostración, el equipo eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio, ambos insertados en respectivos anfitriones moleculares. Para detectar la señal de rayos X de un átomo, el equipo de investigación complementó los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra para recolectar electrones excitados por rayos X, una técnica conocida como microscopía de túnel de barrido de rayos X sincrotrón o SX-STM. La espectroscopia de rayos X en SX-STM se desencadena por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, lo que constituye huellas dactilares elementales y es eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales.
Según Hla, los espectros son como huellas dactilares, siendo cada uno único y capaz de detectar exactamente lo que es.
«La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abrió nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala», dijo Tolulope Michael Ajayi, quien es el primer autor del artículo y realiza este trabajo como parte de su Ph.D. tesis. «Más aún, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales».
Durante los últimos 12 años, Hla ha estado involucrada en el desarrollo de un instrumento SX-STM y sus métodos de medición junto con Volker Rose, científico de Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional de Argonne.
«He podido supervisar con éxito a cuatro estudiantes graduados de OHIO en sus tesis doctorales relacionadas con el desarrollo del método SX-STM durante un período de 12 años. Hemos recorrido un largo camino para lograr la detección de rayos X de un solo átomo firma», dijo Hla.
El estudio de Hla se centra en las ciencias nano y cuánticas con un énfasis particular en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales en el nivel fundamental, sobre la base de un átomo individual. Además de lograr la firma de rayos X de un átomo, el objetivo clave del equipo era usar esta técnica para investigar el efecto ambiental en un solo átomo de tierras raras.
«También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales», explicó Hla. «Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos que el átomo de terbio, un metal de tierras raras, está bastante aislado y no cambia su estado químico mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con su circundante.»
Muchos materiales de tierras raras se utilizan en dispositivos cotidianos, como teléfonos celulares, computadoras y televisores, por nombrar algunos, y son extremadamente importantes en la creación y el avance de la tecnología. A través de este descubrimiento, los científicos ahora pueden identificar no solo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos dentro de diferentes materiales anfitriones para satisfacer las necesidades en constante cambio en varios campos. Además, también han desarrollado un nuevo método llamado «Tunelización de resonancia excitada por rayos X o X-ERT» que les permite detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material utilizando rayos X de sincrotrón.
«Este logro conecta los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica para detectar la firma de rayos X de un átomo individual y abre muchas direcciones de investigación interesantes, incluida la investigación sobre las propiedades cuánticas y de espín (magnéticas) de un solo átomo utilizando rayos X de sincrotrón». dijo Hla.
Además de Ajayi, varios otros estudiantes graduados de OHIO, incluido el actual Ph.D. estudiantes Sineth Premarathna en Física y Xinyue Cheng en Química, así como Ph.D. Los ex alumnos de Física Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas y Anh T. Ngo, actualmente profesor asociado de ingeniería química en la Universidad de Illinois-Chicago, participaron en esta investigación. El presidente de la Facultad de Artes y Ciencias Roenigk y profesor de química Eric Masson diseñó y sintetizó la molécula de tierras raras utilizada en este estudio.
En el futuro, Hla y su equipo de investigación continuarán utilizando rayos X para detectar propiedades de un solo átomo y encontrar formas de revolucionar aún más sus aplicaciones para su uso en la recopilación de investigación de materiales críticos y más.
