X 線は19 世紀後半に発見されて以来、多くの分野で不可欠なツールとなっています。このタイプの電磁放射は非常に高エネルギーで波長が短いですが、骨折や骨折があるかどうかを示すだけではありません。それらは、1999 年 7 月に打ち上げられて以来、X 線スペクトルを観測してきたチャンドラ天文台のように、宇宙でも多くの目的に使用されています。私たちは分子の世界を研究するためにもそれを使用しましたが、これまでは不可能でした。 X線で個々の原子を研究するだけでなく、原子のバッチを使ってそれらが何であるかを理解し、それらの原子が特定の化学反応でどのように機能するかを予測することもできます。今まで。
オハイオ大学アルゴンヌ国立研究所とイリノイ大学シカゴ校の科学者らによる新たな研究で、X線技術のみを使用して単一原子の特性の画像が明らかになったと、ネイチャー誌に発表された論文で発表された。 。
X線で見る原子
非常に強力な顕微鏡は個々の原子を画像化することができ、実際には事実上常に画像化することができますが、 X 線や分光法（物体が吸収または放射する光波の長さに基づいて物体の「化学的指紋」を採取する方法）を使用しません。 、画像だけでは科学者がどの元素を見ているのかを伝えることはできません。原子の特徴付け、つまり単独の物体をスキャンし、元素ごとに分類し、その特性を解読し、化学反応でどのように動作するかを理解することは、非常に複雑な作業です。
いくつかの実験で、研究者らはこれまで科学ができなかったことを達成した。量子トンネル内でX線を結合し、導電性チップを使って走査する走査型トンネル顕微鏡と呼ばれる技術を用いて、シンクロトロンと呼ばれる粒子加速器にX線を集中させる。サンプルの表面。彼らは個々の原子を特定し、その重要な特性のいくつかを測定しました。
「この研究で使用された技術とテストされた概念は、X線科学とナノスケール研究に新たな境地を切り開きました」と研究の共著者であるTolulope Michael Ajayi氏は述べています。
量子トンネリング
デモンストレーションのために、チームは鉄原子とテルビウム原子を選択し、両方ともそれぞれの分子ホストに挿入しました。原子からの X 線信号を検出するために、彼らは従来の X 線検出器に、X 線励起電子を収集するためにサンプルの非常に近くに配置された鋭い金属チップで作られた特殊な検出器 (SX-STM) を追加しました。 SX-STM の X 線分光法はコアレベル電子の光吸収によって引き起こされ、固有の指紋を生成する材料の元素タイプを直接識別するのに非常に効果的です。
この実験では、観察している原子の種類 (2 つの異なる原子があった) を区別できるだけでなく、これらの原子が示す化学的挙動を研究することもできました。研究チームは、X線吸収スペクトルから鉄原子とテルビウム原子に対応する指紋が明らかになることを発見した。
「私たちは個々の原子の化学状態も検出しました」とHla氏は説明した。 「それぞれの分子ホスト内の鉄原子とテルビウム原子の化学状態を比較することにより、希土類金属であるテルビウム原子は完全に孤立しており、その化学状態は変化しないが、テルビウム原子鉄は鉄原子と強く相互作用していることがわかりました。その周囲。」
世界を変える発見
オハイオ大学とアルゴンヌ国立研究所の物理学者であり、この論文の共著者であるサイ・ワイ・フラ氏は、「走査型プローブ顕微鏡を使えば日常的に原子を画像化することができるが、X線がなければ原子が何でできているかを知ることはできない」と述べた。仕事。 「現在では、特定の原子の種類を一度に 1 原子ずつ正確に検出できるようになり、同時にその化学状態も測定できるようになりました。それができれば、単一原子の限界まで物質を追跡できるようになります。これは医学や環境科学に多大な影響を与え、もしかしたら人類に大きな影響を与える治療法が見つかるかもしれません。この発見は世界を変えるでしょう。」
科学者たちは今後も X 線を使用して単一原子の特性を検出し、重要な材料の研究などの収集に使用できるようにアプリケーションをさらに革新する方法を見つけるでしょう。
参照：
Tolulope M. Ajayi、白戸 希美、Tomas Rojas、Sarah Wieghold、Xinyue Cheng、Kyaw Zin Latt、Daniel J. Trainer、Naveen K. Dandu、Yiming Li、Sineth Premarathna、Sanjoy Sarkar、Daniel Rosenmann、Yuzi Liu、Nathalie Kyritsakas、Shaozeワン、エリック・マッソン、フォルカー・ローズ、シャオペン・リー、アン・T・ゴー、ソーワイこんにちは。放射光 X 線を使用した、たった 1 つの原子の特性評価。自然、2023年。 618 (7963): 69 DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w