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| Imagen de una supramolécula en forma de anillo en la que sólo hay un átomo de hierro en todo el anillo. Crédito: Saw-Wai Hla |
Un equipo de científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Illinois-Chicago, entre otros, dirigido por el profesor de Física de la Universidad de Ohio y científico del Laboratorio Nacional Argonne, Saw Wai Hla, ha obtenido la primera SEÑAL (o FIRMA) de rayos X del mundo de un solo átomo.
Los microscopios de sonda de barrido pueden obtener regularmente imágenes de átomos, pero sin rayos X es imposible determinar de qué materiales están hechos. Un bit a la vez, decidir el tipo específico de un átomo mientras se mide su estado químico es posible.
Hla afirma: "Una vez que lo consigamos, podremos rastrear los materiales hasta el límite último de un solo átomo. Esto repercutirá enormemente en las ciencias médicas y medioambientales y quizá incluso encontremos una cura que pueda tener un gran impacto en la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo".
Los científicos utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón construido a tal efecto en la línea de luz XTIP de la Fuente Avanzada de Fotones y el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne.
El grupo utilizó como ejemplo un átomo de hierro y otro de terbio en sus respectivos huéspedes moleculares. El equipo de investigación utilizó una técnica denominada microscopía de barrido en túnel de rayos X de sincrotrón, o SX-STM, que consiste en colocar un detector especial formado por una punta metálica afilada muy cerca de la muestra para recoger los electrones de rayos X excitados, además de los detectores de rayos X convencionales, para detectar la señal de un solo átomo. La fotoabsorción de electrones de nivel central, que crea huellas elementales e identifica eficazmente el tipo elemental de los materiales, inicia la espectroscopia de rayos X en SX-STM.
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| Ensamblajes supramoleculares de seis átomos de rubidio y uno de hierro. La microscopía de barrido en túnel reveló la clara señal del átomo de hierro. (Ajayi et al., Nature, 2023) |
Según Hla, "los espectros son como huellas dactilares, cada una única y capaz de detectar exactamente lo que es".
Tolulope Michael Ajayi, primer autor del artículo y que realiza este trabajo como parte de su tesis doctoral, afirmó: "La técnica utilizada y el concepto demostrado en este estudio abren nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala. Además, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y dar lugar a nuevas tecnologías en ámbitos como la información cuántica y la detección de oligoelementos en la investigación medioambiental y médica, por citar algunos. Este logro también abre el camino a la instrumentación avanzada en ciencia de materiales".
Hla explicó: "También hemos detectado los estados químicos de átomos individuales. Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de sus respectivos huéspedes moleculares, descubrimos que el átomo de terbio, un metal de tierras raras, está aislado y no cambia su estado químico. En cambio, el átomo de hierro interactúa fuertemente con su entorno".
Con este hallazgo, los científicos pueden determinar no sólo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permite gestionar mejor los átomos dentro de diversos materiales para satisfacer las necesidades cambiantes de diversas disciplinas. Además, han creado una técnica completamente nueva conocida como "túnel de resonancia excitada por rayos X, o X-ERT", que les permite utilizar rayos X de sincrotrón para determinar cómo se orientan los orbitales de una sola molécula en la superficie de un material.
Hla declaró: "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 apasionantes, incluida la investigación de las propiedades cuánticas y de espín (magnéticas) de un solo átomo utilizando rayos X de sincrotrón."
Fuentes, créditos y referencias:
Universidad de Ohio - Ajayi, T.M., Shirato, N., Rojas, T. et al. Characterization of just one atom using synchrotron X-rays. Nature 618, 69–73 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w