دانشمندان اولین اشعه ایکس جهان از یک اتم را گزارش کردند

31 مه 2023 (اخبار نانوورک) تیمی از دانشمندان دانشگاه اوهایو، آزمایشگاه ملی آرگون، دانشگاه ایلینوی-شیکاگو و دیگران به رهبری استاد فیزیک دانشگاه اوهایو و دانشمند آزمایشگاه ملی آرگون، ساو وای هلا، اولین سیگنال اشعه ایکس جهان را گرفته اند. (یا SIGNATURE) فقط از یک اتم. از زمان کشف آن توسط رونتگن در سال 1895، اشعه ایکس در همه جا مورد استفاده قرار گرفته است، از معاینات پزشکی گرفته تا غربالگری های امنیتی در فرودگاه ها. حتی کنجکاوی، مریخ نورد ناسا، به یک دستگاه اشعه ایکس برای بررسی ترکیب مواد سنگ های مریخ مجهز شده است. یکی از کاربردهای مهم اشعه ایکس در علم، شناسایی نوع مواد در یک نمونه است. در طول سال ها، به لطف توسعه منابع اشعه ایکس سنکروترون و ابزارهای جدید، مقدار مواد در یک نمونه مورد نیاز برای تشخیص اشعه ایکس به میزان زیادی کاهش یافته است. تا به امروز، کمترین مقداری که می توان از یک نمونه اشعه ایکس کرد، در آتوگرام است، یعنی حدود 10,000 اتم یا بیشتر. دلیل آن این است که سیگنال اشعه ایکس تولید شده توسط یک اتم بسیار ضعیف است به طوری که آشکارسازهای اشعه ایکس معمولی نمی توانند برای تشخیص آن استفاده شوند. به گفته Hla، این رویای دیرینه دانشمندان است که فقط یک اتم را با اشعه ایکس پرتاب کنند که اکنون توسط تیم تحقیقاتی به رهبری او محقق شده است. اتم ها را می توان به طور معمول با میکروسکوپ های کاوشگر روبشی تصویر کرد، اما بدون اشعه ایکس نمی توان تشخیص داد که از چه چیزی ساخته شده اند. Hla، که همچنین مدیر مؤسسه نانومقیاس و پدیده‌های کوانتومی در دانشگاه اوهایو است، توضیح داد: «ما اکنون می‌توانیم دقیقاً نوع یک اتم خاص، یک اتم را در هر زمان شناسایی کنیم، و می‌توانیم به طور همزمان حالت شیمیایی آن را اندازه‌گیری کنیم. زمانی که بتوانیم این کار را انجام دهیم، می توانیم مواد را تا حد نهایی فقط یک اتم ردیابی کنیم. این امر تأثیر زیادی بر علوم زیست محیطی و پزشکی خواهد داشت و حتی شاید درمانی پیدا کند که بتواند تأثیر زیادی برای بشریت داشته باشد. این کشف جهان را متحول خواهد کرد.» هنگامی که اشعه ایکس (رنگ آبی) بر روی یک اتم آهن (توپ قرمز در مرکز مولکول) روشن می شود، الکترون های سطح هسته برانگیخته می شوند. سپس الکترون‌های برانگیخته با اشعه ایکس از طریق اوربیتال‌های اتمی/مولکولی که اطلاعات عنصری و شیمیایی اتم آهن را فراهم می‌کنند، به نوک آشکارساز (خاکستری) تونل می‌شوند. (تصویر: Saw-Wai Hla) مقاله آنها، منتشر شده در مجله علمی طبیعت ("تشخیص تنها یک اتم با استفاده از اشعه ایکس سنکروترون") و تزئین روی جلد نسخه چاپی مجله علمی در 1 ژوئن 2023، جزئیات چگونگی Hla و چندین فیزیکدان و شیمیدان دیگر، از جمله Ph.D. دانش‌آموزان OHIO از یک ابزار پرتو ایکس سنکروترون ساخته شده در خط پرتو XTIP منبع فوتون پیشرفته و مرکز مواد در مقیاس نانو در آزمایشگاه ملی آرگون استفاده کردند. برای نشان دادن، تیم یک اتم آهن و یک اتم تربیوم را انتخاب کردند که هر دو در میزبان‌های مولکولی مربوطه قرار داده شدند. برای تشخیص سیگنال اشعه ایکس از یک اتم، تیم تحقیقاتی آشکارسازهای معمولی در اشعه ایکس را با یک آشکارساز تخصصی ساخته شده از یک نوک فلزی تیز که در نزدیکی نمونه قرار دارد تکمیل کردند تا الکترون‌های برانگیخته اشعه ایکس را جمع‌آوری کند - تکنیکی که به عنوان سنکروترون شناخته می‌شود. میکروسکوپ تونل زنی اسکن اشعه ایکس یا SX-STM. طیف‌سنجی پرتو ایکس در SX-STM با جذب نوری الکترون‌های سطح هسته، که اثر انگشت عنصری را تشکیل می‌دهد و در شناسایی مستقیم نوع عنصری مواد مؤثر است، ایجاد می‌شود. به گفته Hla، این طیف ها مانند اثر انگشت هستند و هر یک منحصر به فرد هستند و می توانند دقیقاً چه چیزی را تشخیص دهند. Tolulope Michael Ajayi، که اولین نویسنده مقاله است و این کار را به عنوان بخشی از دکترای خود انجام می دهد، گفت: "تکنیک مورد استفاده و مفهوم اثبات شده در این مطالعه، زمینه جدیدی را در علم پرتو ایکس و مطالعات نانومقیاس ایجاد کرد." پایان نامه. 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 می کند. در 12 سال گذشته، Hla در توسعه یک ابزار SX-STM و روش‌های اندازه‌گیری آن به همراه ولکر رز، دانشمند منبع فوتون پیشرفته در آزمایشگاه ملی آرگون مشارکت داشته است. "من توانسته ام با موفقیت بر چهار دانشجوی فارغ التحصیل OHIO برای Ph.D نظارت کنم. پایان نامه های مربوط به توسعه روش SX-STM در یک دوره 12 ساله. ما راه درازی را برای دستیابی به تشخیص یک امضای اشعه ایکس تک اتمی پیموده‌ایم.» مطالعه Hla بر روی علوم نانو و کوانتومی با تأکید ویژه بر درک خواص شیمیایی و فیزیکی مواد در سطح بنیادی - بر اساس اتم های منفرد متمرکز شده است. هدف اصلی تیم علاوه بر دستیابی به امضای اشعه ایکس از یک اتم، استفاده از این تکنیک برای بررسی اثرات محیطی بر روی یک اتم خاکی کمیاب بود. Hla توضیح داد: "ما حالت های شیمیایی اتم های منفرد را نیز شناسایی کرده ایم." با مقایسه حالت‌های شیمیایی یک اتم آهن و یک اتم تربیوم در داخل میزبان‌های مولکولی مربوطه، متوجه می‌شویم که اتم تربیوم، یک فلز خاکی کمیاب، نسبتاً ایزوله است و حالت شیمیایی خود را تغییر نمی‌دهد در حالی که اتم آهن به شدت با آن تعامل دارد. اطراف." (سمت چپ) تصویری از یک ابر مولکول حلقه ای شکل که در آن فقط یک اتم آهن در کل حلقه وجود دارد. (راست) امضای اشعه ایکس تنها یک اتم آهن. (تصویر: Saw-Wai Hla) بسیاری از مواد خاکی کمیاب در دستگاه‌های روزمره مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌ها و تلویزیون‌ها استفاده می‌شوند و در ایجاد و پیشرفت فناوری بسیار مهم هستند. از طریق این کشف، دانشمندان اکنون می توانند نه تنها نوع عنصر بلکه وضعیت شیمیایی آن را نیز شناسایی کنند، که به آنها اجازه می دهد اتم های موجود در میزبان های مواد مختلف را برای برآوردن نیازهای در حال تغییر در زمینه های مختلف بهتر دستکاری کنند. علاوه بر این، آنها همچنین روش جدیدی به نام "تونل زنی تشدید برانگیخته اشعه ایکس یا X-ERT" ایجاد کرده اند که به آنها امکان می دهد با استفاده از اشعه ایکس سنکروترون، چگونگی جهت گیری اوربیتال های یک مولکول روی سطح ماده را تشخیص دهند. "این دستاورد پرتوهای ایکس سنکروترون را با فرآیند تونل زنی کوانتومی برای تشخیص امضای اشعه ایکس یک اتم منفرد متصل می کند و بسیاری از مسیرهای تحقیقاتی هیجان انگیز از جمله تحقیق در مورد خواص کوانتومی و اسپینی (مغناطیسی) تنها یک اتم با استفاده از اشعه ایکس سنکروترون را باز می کند." هلا گفت. علاوه بر آجایی، چندین دانشجوی دیگر در اوهیو از جمله دکترای فعلی. دانشجویان Sineth Premarathna در فیزیک و Xinyue Cheng در شیمی، و همچنین Ph.D. در فیزیک فارغ التحصیلان Sanjoy Sarkar، Shaoze Wang، Kyaw Zin Latt، Tomas Rojas، و Anh T. Ngo، در حال حاضر دانشیار مهندسی شیمی در دانشگاه ایلینویز-شیکاگو، در این تحقیق شرکت داشتند. رئیس دانشکده هنر و علوم Roenigk و استاد شیمی اریک ماسون مولکول خاک کمیاب مورد استفاده در این مطالعه را طراحی و سنتز کرد. در ادامه، Hla و تیم تحقیقاتی او به استفاده از اشعه ایکس برای شناسایی ویژگی‌های تنها یک اتم و یافتن راه‌هایی برای متحول کردن بیشتر کاربردهای آن‌ها برای استفاده در جمع‌آوری تحقیقات مواد حیاتی و موارد دیگر، ادامه خواهند داد.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• ضرب کردن آینده با آدرین اشلی. دسترسی به اینجا.
• خرید و فروش سهام در شرکت های PRE-IPO با PREIPO®. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63084.php