Nuo 1895 m., kai Wilhelmas Röntgenas atrado rentgeno spindulius, jie naudojami visur – nuo medicininių tyrimų iki saugumo patikros oro uostuose. Net NASA marsaeigyje „Curiosity“ įrengtas rentgeno spindulių prietaisas, skirtas Marso uolienų medžiagų sudėčiai tirti.
Svarbus rentgeno spindulių panaudojimo būdas moksle – nustatyti mėginyje esančių medžiagų rūšį. Bėgant metams, sukūrus sinchrotroninius rentgeno spindulių šaltinius ir naujus prietaisus, mėginyje esančių medžiagų kiekis, reikalingas rentgeno spinduliams nustatyti, labai sumažėjo. Iki šiol mažiausias kiekis, kurį galima gauti rentgeno spinduliais, yra atograma – t. y. apie 10 000 ar daugiau atomų.
Taip yra dėl to, kad atomo skleidžiamas rentgeno spinduliuotės signalas yra labai silpnas, todėl įprastiniais rentgeno spindulių detektoriais jo aptikti neįmanoma. Pasak S.W. Hla, tai sena mokslininkų svajonė – rentgeno spinduliuote nušviesti tik vieną atomą – kurią dabar įgyvendino jo vadovaujama tyrėjų grupė.
„Atomus galima įprastai atvaizduoti skenuojančiais zondiniais mikroskopais, tačiau be rentgeno spindulių negalima pasakyti, iš ko jie sudaryti. Dabar galime tiksliai nustatyti konkretaus atomo tipą, po vieną atomą, ir tuo pat metu išmatuoti jo cheminę būseną, – aiškina mokslininkas, kuris taip pat yra Ohajo universiteto Nano ir kvantinių reiškinių instituto direktorius. – Kai tik galėsime tai padaryti, galėsime atsekti medžiagas iki pavienio atomo ribos. Tai turės didžiulę įtaką aplinkosaugos ir medicinos mokslams, ir galbūt net padės rasti vaistą, kuris galbūt turės didžiulę įtaką žmonijai. Šis atradimas pakeis pasaulį“.
Tyrėjų straipsnyje, kuris 2023 m. gegužės 31 d. buvo paskelbtas mokslo žurnale „Nature“, o 2023 m. birželio 1 d. papuošė spausdinto mokslinio žurnalo viršelį, išsamiai aprašoma, kaip S.W. Hla ir keli kiti fizikai bei chemikai, įskaitant Ohajo universiteto doktorantus, naudojo specialiai sukurtą sinchrotroninį rentgeno spindulių prietaisą, esantį Pažangaus fotonų šaltinio (Advanced Photon Source) XTIP pluošto linijoje ir Argono nacionalinės laboratorijos Nanomedžiagų centre (Center for Nanoscale Materials).
Demonstracijai komanda pasirinko geležies ir terbio atomą, kurie buvo įterpti į atitinkamas molekulines talpyklas. Norėdama aptikti pavienio atomo rentgeno spindulių signalą, tyrėjų grupė papildė įprastus rentgeno spindulių detektorius specializuotu detektoriumi, pagamintu iš aštraus metalinio antgalio, įtaisyto itin arti bandinio, kad būtų galima surinkti rentgeno spindulių sužadintus elektronus – šis metodas žinomas kaip sinchrotroninė rentgeno spindulių skenavimo tunelinė mikroskopija – arba SX-STM. Rentgeno spindulių spektroskopiją SX-STM metu sužadina šerdinio lygmens elektronų fotoabsorbcija, kuri sudaro elementų „pirštų atspaudus“ ir yra veiksminga tiesiogiai nustatant medžiagų elementų tipą.
Pasak S.W. Hla, spektrai yra tarsi pirštų atspaudai, kurių kiekvienas yra unikalus ir pagal juos galima tiksliai nustatyti, kas tai yra.
„Naudotas metodas ir šiame tyrime įrodyta koncepcija atvėrė naują kelią rentgeno spinduliuotės moksle ir nanomastelių tyrimuose, – teigia Tolulope Michaelas Ajayi, kuris yra pagrindinis straipsnio autorius ir šį darbą atlieka kaip daktaro disertacijos dalį. – Dar daugiau, rentgeno spindulių naudojimas atskiriems atomams aptikti bei apibūdinti gali sukelti revoliuciją moksliniuose tyrimuose – ir duoti pradžią naujoms technologijoms tokiose srityse kaip kvantinė informacija, mikroelementų aptikimas aplinkos ir medicinos tyrimuose ir kita. Šis pasiekimas taip pat atveria kelią pažangiems medžiagų mokslo prietaisams“.
„Per 12 metų man pavyko sėkmingai vadovauti keturiems Ohajo universiteto magistrantams, rengiantiems daktaro disertacijas, susijusias su SX-STM metodo kūrimu. Nuėjome ilgą kelią, kad pasiektume pavienio atomo rentgeno spinduliuotės parašo aptikimą“, – sakė Hla.
S.W. Hla studijos orientuotos į nano ir kvantinius mokslus, ypatingą dėmesį skiriant medžiagų cheminių ir fizikinių savybių supratimui pagrindiniame lygmenyje – atskiro atomo pagrindu. Be to, kad pavyko gauti pavienio atomo rentgeno spindulių parašą, pagrindinis komandos tikslas buvo panaudoti šį metodą tiriant aplinkos poveikį vienam retųjų žemės elementų atomui.
„Aptikome ir atskirų atomų chemines būsenas, – pasakoja S.W. Hla. – Palyginę geležies atomo ir terbio atomo chemines būsenas atitinkamuose molekulinėse laikmenose, nustatėme, kad terbio atomas, retasis žemės metalas, yra gana izoliuotas ir nekeičia savo cheminės būsenos – o geležies atomas stipriai sąveikauja su aplinka.“
Daugelis retųjų žemės medžiagų naudojamos kasdieniuose prietaisuose – pavyzdžiui mobiliuosiuose telefonuose, kompiuteriuose, televizoriuose – ir yra labai svarbios kuriant bei tobulinant technologijas. Dėl šio atradimo mokslininkai dabar gali nustatyti ne tik elemento rūšį, bet ir jo cheminę būseną – o tai leis jiems geriau manipuliuoti įvairių medžiagų atomais, kad būtų patenkinti nuolat kintantys įvairių sričių poreikiai. Be to, tyrėjai taip pat sukūrė naują metodą, vadinamą „rentgeno spindulių sužadintu rezonansiniu tuneliavimu arba X-ERT“, kuris leidžia nustatyti, kaip vienos molekulės orbitalės orientuojasi medžiagos paviršiuje, naudojant sinchrotroninius rentgeno spindulius.
„Šis pasiekimas sujungia sinchrotrono rentgeno spindulius su kvantinio tuneliavimo procesu, kad būtų galima aptikti atskiro atomo rentgeno parašą, ir atveria daug įdomių tyrimų krypčių, įskaitant pavienio atomo kvantinių ir sukinių (magnetinių) savybių tyrimus naudojant sinchrotrono rentgeno spindulius“, – sakė Hla.
Ateityje S.W. Hla ir jo tyrėjų komanda toliau naudos rentgeno spindulius tik pavienio atomo savybėms nustatyti, ir ieškos būdų, kaip dar labiau pakeisti jų taikymą, kad juos būtų galima panaudoti renkant kritinių medžiagų tyrimus.
Parengta pagal „SciTech Daily“.
