La primera radiografía de un solo átomo del mundo revela la química en el nivel más pequeño; Alerta científica:

Puede que los átomos no tengan huesos, pero aun así queremos saber cómo están formados. Estas pequeñas partículas son la base sobre la que se construye toda la materia normal (incluidos nuestros huesos), y comprenderlas nos ayuda a comprender el Universo más grande.

Actualmente usamos luz de rayos X de alta energía para ayudarnos a comprender los átomos y las moléculas y cómo se organizan al atrapar haces dispersos para reconstruir sus configuraciones en forma de cristal.

Los científicos ahora han usado rayos X para caracterizar las propiedades de un solo átomo, lo que demuestra que la técnica se puede usar para comprender la materia al nivel de sus componentes básicos más pequeños.

«Aquí» escribir un equipo internacional Dirigido por Tolulope Ajayi, físico de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU., «demostramos que los rayos X se pueden usar para caracterizar el estado elemental y químico de un solo átomo».

Esquema del ensamblaje supramolecular del hierro, con el átomo de hierro en rojo y el rubidio en cian. (Ajayi et al., Naturaleza2023)

Los rayos X se consideran una sonda adecuada para caracterizar materiales a nivel atómico porque su distribución de longitud de onda es comparable al tamaño de un átomo.

Y hay varias técnicas para aplicar rayos X a las cosas para ver cómo se acumulan en escalas realmente pequeñas.

es uno de ellos rayos X sincrotróndonde los rayos X se aceleran a energías más altas, por lo que brillan mucho más.

Para resolver las escalas realmente finas, Ajayi y sus colegas utilizaron una técnica que combina rayos X de sincrotrón con una técnica de microscopía de imágenes a escala atómica llamada microscopio de efecto túnel. Este utiliza una sonda conductora de punta fina que interactúa con los electrones en el material de prueba, lo que se conoce como «tunelización cuántica».

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En una proximidad muy cercana (como en medio nanómetro), la posición exacta del electrón es incierta, rozándolo a través del espacio entre el material y la sonda; El estado del átomo puede entonces medirse por la corriente resultante.

Las dos técnicas se conocen colectivamente como microscopía de túnel de barrido de rayos X sincrotrón (SX-STM). La radiación de rayos X amplificada excita la muestra y un detector en forma de aguja recoge los fotoelectrones resultantes. Y es una técnica interesante que abre posibilidades bastante increíbles. El año pasado, el equipo publicó un artículo sobre el uso de SX-STM. girar una molécula.

Esta vez fueron más pequeños, tratando de medir las propiedades de un solo átomo de hierro. Ellos crearon por separado ensamblajes supramoleculares, incluidos los iones de hierro y terbio dentro de un anillo de átomos llamado ligando. Un átomo de hierro y seis de rubidio estaban unidos a ligandos de terpiridina; el terbio, el oxígeno y el bromo se unieron mediante ligandos de piridina-2,6-dicarboxamida.

Izquierda. Esquema del ensamblaje supramolecular de terbio: terbio en cian, bromo en azul y oxígeno en rojo. Izquierda: imagen SX-STM de ensamblajes supramoleculares de terbio. (Ajayi et al., Naturaleza2023)

Estas muestras luego se sometieron a SX-STM.

La luz que recibe el detector no es la misma que la luz que incide sobre la muestra. Ciertas longitudes de onda son absorbidas por los electrones en el núcleo atómico, lo que significa que hay líneas más oscuras en el espectro de rayos X resultante.

El equipo descubrió que estas líneas más oscuras corresponden a longitudes de onda absorbidas por el hierro y el terbio. Los espectros de absorción también se pueden analizar para determinar los estados químicos de estos átomos.

Algo interesante le sucedió al átomo de hierro. La señal de rayos X solo podía detectarse cuando la punta de la sonda estaba por encima del átomo de hierro en su estructura supramolecular y muy cerca.

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Esto, dicen los investigadores, confirma la detección en modo túnel. Dado que la tunelización es un fenómeno cuántico, esto tiene implicaciones para el estudio de la mecánica cuántica.

«Nuestro trabajo» los investigadores escriben«conecta los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica y abre futuros experimentos de rayos X para la caracterización simultánea de las propiedades elementales y químicas de los materiales hasta la definición definitiva de un solo átomo».

Probablemente sea al menos tan bueno como los huesos.

El estudio ha sido publicado Naturaleza.

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