La prima radiografia al mondo di un singolo atomo

AGI - È stato rilevato, per la prima volta, il segnale a raggi X di un singolo atomo. Lo dimostra lo studio degli scienziati dell’Ohio University, dell’Argonne National Laboratory, dell’Università dell’Illinois-Chicago, guidati dal professore di fisica dell’Ohio University Saw Wai Hla, pubblicato sulla rivista scientifica Nature.

Questo risultato rivoluzionario è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Basic Energy Sciences e potrebbe rivoluzionare il modo in cui gli scienziati rilevano i materiali. Dalla loro scoperta da parte di Roentgen nel 1895, i raggi X sono stati utilizzati ovunque, dagli esami medici ai controlli di sicurezza negli aeroporti.

Un uso importante dei raggi X nella scienza è quello di identificare il tipo di materiali presenti in un campione. Ad oggi, la quantità minima che si può radiografare in un campione è in attogrammi, cioè circa 10.000 atomi o più. Ciò è dovuto al fatto che il segnale dei raggi X prodotto da un atomo è estremamente debole, tanto che i rivelatori convenzionali di raggi X non possono essere utilizzati per rilevarlo.

“Gli atomi possono essere fotografati di routine con i microscopi a scansione di sonda, ma senza i raggi X non si può dire di cosa sono fatti”, ha spiegato Hla, che è anche direttore del Nanoscale and Quantum Phenomena Institute della Ohio University. “Ora siamo in grado di rilevare esattamente il tipo di un particolare atomo, un atomo alla volta, e di misurarne contemporaneamente lo stato chimico”, ha continuato Hla.

“Questa ricerca avrà un grande impatto sulle scienze ambientali e mediche; questa scoperta trasformerà il mondo”, ha dichiarato Hla. Per catturare il singolo atomo, gli scienziati hanno utilizzato uno strumento di sincrotrone a raggi X appositamente costruito presso la linea di fascio XTIP dell’Advanced Photon Source e del Center for Nanoscale Materials dell’Argonne National Laboratory.

Per la dimostrazione, i ricercatori hanno scelto un atomo di ferro e un atomo di terbio, entrambi inseriti nei rispettivi ospiti molecolari. Per rilevare il segnale a raggi X di un atomo, il gruppo di ricerca ha integrato i rivelatori convenzionali a raggi X con un rivelatore specializzato costituito da una punta metallica affilata posizionata in estrema prossimità del campione per raccogliere gli elettroni eccitati dai raggi X, tecnica nota come microscopia a scansione tunneling a raggi X di sincrotrone o SX-STM.

La spettroscopia a raggi X in SX-STM è innescata dal fotoassorbimento degli elettroni del livello centrale, che costituiscono le impronte digitali degli elementi e sono efficaci per identificare direttamente il tipo di elemento dei materiali.

“La tecnica utilizzata e il concetto dimostrato in questo studio hanno aperto un nuovo terreno nella scienza dei raggi X e negli studi su scala nanometrica”, ha dichiarato Tolulope Michael Ajayi, primo autore dell’articolo, che ha svolto questo lavoro come parte della sua tesi di dottorato.

Lo studio di Hla si concentra sulle scienze nanometriche e quantistiche, con particolare attenzione alla comprensione delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali a livello fondamentale, a livello di singolo atomo.

Oltre a ottenere la firma a raggi X di un atomo, l’obiettivo principale del gruppo era quello di utilizzare questa tecnica per studiare l’effetto ambientale su un singolo atomo di terre rare. “Abbiamo rilevato anche gli stati chimici dei singoli atomi”, ha spiegato Hla.

“Confrontando gli stati chimici di un atomo di ferro e di un atomo di terbio all’interno dei rispettivi ospiti molecolari, abbiamo scoperto che l’atomo di terbio, un metallo delle terre rare, è piuttosto isolato e non cambia il suo stato chimico, mentre l’atomo di ferro interagisce fortemente con l’ambiente circostante”.

Molti materiali delle terre rare sono utilizzati in dispositivi di uso quotidiano, come telefoni cellulari, computer e televisori e sono estremamente importanti per la creazione e il progresso della tecnologia. “In futuro, continueremo a utilizzare i raggi X per rilevare le proprietà di un solo atomo e a trovare modi per rivoluzionare ulteriormente le loro applicazioni per la ricerca sui materiali critici e altro ancora”, ha detto Hla.