برای اولین بار اشعه ایکس برآمده از اتم‌ها کشف شد

برای نخستین‌بار، پژوهشگران توانستند پرتوهای ایکس برآمده از تک‌اتم‌ها را تشخیص دهند و با تحلیل آن به نوع اتم‌ها و وضعیت شیمیایی‌شان پی ببرند.

وقتی اسم «اشعه ایکس» را می‌شنوید، ممکن است به یاد استخوان‌های شکسته یا معاینه دندان بیفتید؛ اما این نور بسیار پرانرژی می‌تواند چیزهایی بیشتر از استخوان‌های بدن را نشان دهد و برای مطالعه دنیای مولکولی، حتی واکنش‌های زیست‌شیمیایی نیز در زمان واقعی مورداستفاده قرار بگیرد. بااین‌حال، محققان هرگز نتوانسته بودند اتم منفردی را با اشعه ایکس مطالعه کنند؛ البته تا به امروز!

دانشمندان با استفاده از اشعه ایکس توانسته‌اند یک اتم را تشخیص دهند. آن‌ها نه‌تنها توانستند ۲ نوع اتم متفاوت را تشخیص دهند که رفتار شیمیایی این اتم‌ها را نیز مطالعه کردند.

در نانوفناوری، اتم‌ها را می‌توان با میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی (STM) به تصویر کشید؛ اما بدون اشعه ایکس نمی‌توان تشخیص داد که آن اتم‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند. Saw Wai Hla، استاد دانشگاه اوهایو و آزمایشگاه ملی آرگون که نویسنده ارشد مقاله منتشرشده در نشریه نیچر است، می‌گوید: «اکنون می‌توانیم دقیقاً نوع هر اتم خاصی را شناسایی کنیم، البته در هر لحظه فقط یک اتم را می‌توانیم بررسی کنیم ولی به طور هم‌زمان وضعیت شیمیایی آن را هم اندازه‌گیری می‌گیریم. ردیابی مواد در حد تک‌اتم، تأثیر گسترده‌ای بر علوم زیست‌محیطی و پزشکی خواهد داشت و حتی شاید بتوان بر اساس آن، درمان‌های جدید و مؤثرتر پیدا کرد. این کشف می‌تواند جهان را متحول کند».

شرح عکس: نمای میکروسکوپ تونلی روبشی از مجموعه‌های فرامولکولی تربیوم، با اتم تربیوم در مرکز هر ساختار.

پژوهشگران با این کار توانستند یک اتم آهن و یک اتم تربیوم را که یکی از عناصر فلزات خاکی کمیاب است، ردیابی کنند. هر دوی آن‌ها در میزبان مولکولی مربوطه خود قرار داشتند. پژوهشگران، آشکارساز معمولی اشعه ایکس را با آشکارساز ویژه‌ای تلفیق کردند. آشکارساز دوم از نوک فلزی تیز و تخصصی‌شده‌ای بهره می‌برد که در فاصله بسیارنزدیک به نمونه قرار می‌گرفت تا الکترون‌های برانگیخته اشعه ایکس را جمع‌آوری کند. پژوهشگران با تحلیل اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری‌شده توسط نوک آشکارساز ویژه توانست اتم آهن یا تربیوم را تشخیص دهد.

علاوه بر این، پژوهشگران حالت‌های شیمیایی اتم‌های منفرد را نیز شناسایی کردند. آن‌ها با مقایسه حالت‌های شیمیایی اتم آهن و اتم تربیوم در داخل میزبان‌های مولکولی مربوط، متوجه شدند که‌اتم تربیوم، نسبتاً ایزوله است و حالت شیمیایی خود را تغییر نمی‌دهد در حالی که‌اتم آهن به‌شدت با همسایگانش تعامل دارد».

شرح عکس: اتم‌های روبیدیم و آهن، تصاویری از مجموعه‌های فرامولکولی که دارای شش اتم روبیدیم و یک اتم آهن هستند.

سیگنال مشاهده‌شده توسط آشکارساز را می‌توان به اثرانگشت عنصرهای شیمیایی تشبیه کرد. این ویژگی به محققان اجازه می‌دهد تا ترکیب هر نمونه را درک کنند و همچنین خواص فیزیکی و شیمیایی آن را مطالعه کنند. این یافته می‌تواند برای بهبود عملکرد و استفاده از انواع مواد رایج و نه‌چندان رایج حیاتی باشد.

نویسنده اول مقاله، «Tolulope Michael Ajayi» که این پژوهش را به‌عنوان بخشی از پایان‌نامه دکترای خود انجام داده، می‌گوید: «تکنیک مورداستفاده و مفهوم اثبات‌شده در این مطالعه، زمینه جدیدی را در علم پرتو ایکس و مطالعات نانومقیاس گشوده است. علاوه بر این، استفاده از اشعه ایکس برای شناسایی و شناسایی اتم‌های منفرد می‌تواند تحقیقات را متحول کند و فناوری‌های جدیدی را در زمینه‌هایی مانند اطلاعات کوانتومی و تشخیص عناصر کمیاب در تحقیقات محیطی و پزشکی ایجاد کند. این دستاورد همچنین راه را برای ابزار دقیق علوم مواد پیشرفته باز می‌کند».