SG.hu
Elkészült az első röntgenfelvétel egy atomról
A röntgensugaras pásztázó alagútmikroszkóp lehetővé teszi egyetlen atom típusának kimutatását.
Az atomi méretű képalkotás az 1950-es évek közepén jelent meg, és azóta rohamosan fejlődik - olyannyira, hogy 2008-ban fizikusok sikeresen használtak elektronmikroszkópot egyetlen hidrogénatom leképezésére. Öt évvel később a tudósok egy kvantummikroszkóp segítségével beleláttak egy hidrogénatom belsejébe, ami az elektronpályák első közvetlen megfigyelését eredményezte. Most pedig az Ohio Egyetem, az Argonne Nemzeti Laboratórium és az Illinois-Chicagói Egyetem tudósai jóvoltából elkészült az első röntgenfelvétel egyetlen atomról - derül ki a Nature című folyóiratban megjelent új tanulmányból.
"Az atomokat rutinszerűen le lehet képezni pásztázó szondamikroszkópokkal, de röntgensugárzás nélkül nem lehet megmondani, hogy miből állnak" - mondta Saw-Wai Hla társszerző, az Ohio Egyetem és az Argonne Nemzeti Laboratórium fizikusa. "Most már pontosan ki tudjuk mutatni egy adott atom típusát, egyenként, és egyidejűleg meg tudjuk mérni a kémiai állapotát. Amint erre képesek leszünk, az anyagokat egészen egyetlen atom végső határáig nyomon követhetjük. Ez nagy hatással lesz a környezet- és orvostudományokra".
2013-ban a fizikusok ezt látták a hidrogénatom belsejébe betekintve
Az átlagemberek az atom szó hallatán jó eséllyel a klasszikus, sokat szidott Bohr-féle atommodell valamelyik változatát idézik fel. Ebben az elektronok körkörös pályán mozognak az atommag körül, mint a Naprendszerünkben a Nap körül keringő bolygók. A pályáknak meghatározott energiaszintjei vannak, és ezek az energiák a pálya méretéhez kapcsolódnak: a legkisebb energia, vagy "alapállapot" a legkisebb pályához kapcsolódik. Amikor egy elektron sebességet vagy irányt változtat, akkor a Bohr-modell szerint az adott pályákhoz tartozó meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsát ki.
Saw-Wai Hla az elmúlt 12 évben egy röntgensugaras módszer kifejlesztésén dolgozott. A röntgensugaras pásztázó alagútmikroszkóp (vagy SX-STM) lehetővé tenné a tudósok számára az atom típusának és kémiai állapotának azonosítását. A szinkrotron sugárzáshoz hasonló röntgensugaras képalkotó módszereket számtalan tudományágban, többek között a művészetben és a régészetben is széles körben alkalmazzák. De a legkisebb mennyiség, amelyet eddig röntgenfelvételekkel lehet vizsgálni egy attogram, azaz nagyjából 10 000 atom volt. Ez azért van, mert egyetlen atom röntgensugárzása túl gyenge volt ahhoz, hogy kimutatható legyen - egészen mostanáig.
Amikor a röntgensugárzás (kék átló balra) megvilágít egy vasatomot (piros golyó a molekula közepén), az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek, ezután az átfedő atomi/molekuláris pályákon keresztül a detektorcsúcshoz (szürke) vándorolnak, így elemi és kémiai információkat szolgáltatnak a vasatomról
Az SX-STM a hagyományos szinkrotron sugárzást kvantumalagút-képzéssel kombinálja. A hagyományos röntgensugár-detektort kicserélte, és egy hegyes fémdarabot helyezett rendkívül közel a mintához, hogy a röntgensugárzás által gerjesztett állapotba taszított elektronokat jobban összegyűjthesse. Hla és munkatársai módszerével a röntgensugarak a mintába csapódva gerjesztik a magelektronokat, amelyek aztán a detektor hegyéhez alagutat vezetnek. A magelektronok fotoabszorpciója egyfajta elemi ujjlenyomatként szolgál az anyagban lévő atomok típusának azonosítására. A kutatócsoport vasatomot és terbiumatomot használt.
És ez még nem minden. "Az egyes atomok kémiai állapotát is kimutattuk" - mondta Hla. "Egy vasatom és egy terbiumatom kémiai állapotát összehasonlítva a megfelelő molekuláris gazdatestekben azt találtuk, hogy a terbiumatom - egy ritkaföldfém, meglehetősen elszigetelt, és nem változtatja meg kémiai állapotát -, míg a vasatom erősen kölcsönhatásba lép a környezetével." Hla csapata egy másik technikát is kifejlesztett, amelyet röntgengerjesztett rezonancia-alagútnak (X-ERT) neveznek, és amely lehetővé teszi számukra, hogy egy anyagfelületen egyetlen molekula orientációját kimutassák.
Az atomi méretű képalkotás az 1950-es évek közepén jelent meg, és azóta rohamosan fejlődik - olyannyira, hogy 2008-ban fizikusok sikeresen használtak elektronmikroszkópot egyetlen hidrogénatom leképezésére. Öt évvel később a tudósok egy kvantummikroszkóp segítségével beleláttak egy hidrogénatom belsejébe, ami az elektronpályák első közvetlen megfigyelését eredményezte. Most pedig az Ohio Egyetem, az Argonne Nemzeti Laboratórium és az Illinois-Chicagói Egyetem tudósai jóvoltából elkészült az első röntgenfelvétel egyetlen atomról - derül ki a Nature című folyóiratban megjelent új tanulmányból.
"Az atomokat rutinszerűen le lehet képezni pásztázó szondamikroszkópokkal, de röntgensugárzás nélkül nem lehet megmondani, hogy miből állnak" - mondta Saw-Wai Hla társszerző, az Ohio Egyetem és az Argonne Nemzeti Laboratórium fizikusa. "Most már pontosan ki tudjuk mutatni egy adott atom típusát, egyenként, és egyidejűleg meg tudjuk mérni a kémiai állapotát. Amint erre képesek leszünk, az anyagokat egészen egyetlen atom végső határáig nyomon követhetjük. Ez nagy hatással lesz a környezet- és orvostudományokra".
2013-ban a fizikusok ezt látták a hidrogénatom belsejébe betekintve
Az átlagemberek az atom szó hallatán jó eséllyel a klasszikus, sokat szidott Bohr-féle atommodell valamelyik változatát idézik fel. Ebben az elektronok körkörös pályán mozognak az atommag körül, mint a Naprendszerünkben a Nap körül keringő bolygók. A pályáknak meghatározott energiaszintjei vannak, és ezek az energiák a pálya méretéhez kapcsolódnak: a legkisebb energia, vagy "alapállapot" a legkisebb pályához kapcsolódik. Amikor egy elektron sebességet vagy irányt változtat, akkor a Bohr-modell szerint az adott pályákhoz tartozó meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsát ki.
Saw-Wai Hla az elmúlt 12 évben egy röntgensugaras módszer kifejlesztésén dolgozott. A röntgensugaras pásztázó alagútmikroszkóp (vagy SX-STM) lehetővé tenné a tudósok számára az atom típusának és kémiai állapotának azonosítását. A szinkrotron sugárzáshoz hasonló röntgensugaras képalkotó módszereket számtalan tudományágban, többek között a művészetben és a régészetben is széles körben alkalmazzák. De a legkisebb mennyiség, amelyet eddig röntgenfelvételekkel lehet vizsgálni egy attogram, azaz nagyjából 10 000 atom volt. Ez azért van, mert egyetlen atom röntgensugárzása túl gyenge volt ahhoz, hogy kimutatható legyen - egészen mostanáig.
Amikor a röntgensugárzás (kék átló balra) megvilágít egy vasatomot (piros golyó a molekula közepén), az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek, ezután az átfedő atomi/molekuláris pályákon keresztül a detektorcsúcshoz (szürke) vándorolnak, így elemi és kémiai információkat szolgáltatnak a vasatomról
Az SX-STM a hagyományos szinkrotron sugárzást kvantumalagút-képzéssel kombinálja. A hagyományos röntgensugár-detektort kicserélte, és egy hegyes fémdarabot helyezett rendkívül közel a mintához, hogy a röntgensugárzás által gerjesztett állapotba taszított elektronokat jobban összegyűjthesse. Hla és munkatársai módszerével a röntgensugarak a mintába csapódva gerjesztik a magelektronokat, amelyek aztán a detektor hegyéhez alagutat vezetnek. A magelektronok fotoabszorpciója egyfajta elemi ujjlenyomatként szolgál az anyagban lévő atomok típusának azonosítására. A kutatócsoport vasatomot és terbiumatomot használt.
És ez még nem minden. "Az egyes atomok kémiai állapotát is kimutattuk" - mondta Hla. "Egy vasatom és egy terbiumatom kémiai állapotát összehasonlítva a megfelelő molekuláris gazdatestekben azt találtuk, hogy a terbiumatom - egy ritkaföldfém, meglehetősen elszigetelt, és nem változtatja meg kémiai állapotát -, míg a vasatom erősen kölcsönhatásba lép a környezetével." Hla csapata egy másik technikát is kifejlesztett, amelyet röntgengerjesztett rezonancia-alagútnak (X-ERT) neveznek, és amely lehetővé teszi számukra, hogy egy anyagfelületen egyetlen molekula orientációját kimutassák.