/ miércoles 31 de mayo de 2023

Científicos realizan la primera radiografía de Rayos-X a un solo átomo

Los científicos explicaron que con esto se puede detectar exactamente el tipo de un átomo en particular

Científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad de Illinois-Chicago, entre otros, informaron de la realización de la primera radiografía de Rayos X de un solo átomo en el mundo.

Con el objetivo de revolucionar la forma en que los científicos detectan los materiales, se logró aumentar la potencia de las fuentes de rayos X. Al respecto, la investigación dada a conocer por la Universidad de Ohio como la revista Nature explica que la cantidad más pequeña que puede someterse a este tipo de rayos está en atogramas, que es unos 10,000 átomos o más.

Lo anterior se debe a que la señal de rayos X producida por un solo átomo es extremadamente débil, de forma que un detector convencional no se puede utilizar.

Saw Wai Hla, profesor de Física de la Universidad de Ohio y científico del Laboratorio Nacional de Argonne que estuvo a cargo de la investigación, detalló que el equipo logró utilizar un instrumento de rayos X de sincrotrón, tecnología ya utilizada en instrumentos como el rover Curiosity que se encuentra en Marte, especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de Advanced Photon Source y el Centro de Materiales a Nanoescala en el Laboratorio Nacional de Argonne.

“Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico”, explicó el también director del Instituto de Fenómenos Cuánticos y de Nanoescala de la Universidad de Ohio.

Hla detalló que, una vez que puedan perfeccionar su instrumento, podrán rastrear los materiales hasta el límite final de solo un átomo.

“Esto tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo”, añadió el científico.

Una descripción del proceso utilizado para el uso de rayos X sobre un átomo. Foto: Universidad de Ohio, Laboratorio Nacional de Argonne

Los primeros átomos vistos por Rayos X

Para la primera demostración de cómo funciona esta tecnología, los científicos eligieron un átomo de hierro y otro de terbio, los cuales fueron insertados en respectivos anfitriones moleculares.

Con el fin de que la señal llegara al átomo, se complementaron los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra para recolectar electrones excitados por rayos X, en una técnica conocida como sincrotrón, en lo que es una microscopía de túnel de exploración de rayos X o SX-STM, explica la investigación.

Esta espectroscopia de rayos X en SX-STM desencadenada por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, lo que constituye huellas dactilares elementales y lo vuelve eficaz para identificar directamente el tipo elemental presente en los materiales.

Una supramolécula en forma de anillo donde solo un átomo de Fe está presente en todo el anillo y del lado izquierdo se muestra la firma de Rayos X de un solo átomo de hierro. Foto: Universidad de Ohio, Laboratorio Nacional de Argonne

El trabajo de Saw Wai Hla para el desarrollo del instrumento SX-STM junto a Volker Rose, científico de Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional de Argonne, ha tardado durante los últimos 12 años.

Su objetivo se centra en las ciencias nano y cuánticas con un énfasis particular en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales en el nivel fundamental sobre la base de un átomo individual para investigar el efecto ambiental de un solo átomo en tierras extrañas o poco conocidas.

Con esto, los científicos también pueden identificar su estado químico para poder manipular mejor los átomos dentro de diferentes materiales anfitriones y satisfacer las necesidades en constante cambio en varios campos.

“El uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales”, explicó Tolulope Michael Ajayi, quien forma parte de la investigación.

En el futuro de esta investigación, los científicos esperan utilizar rayos X para detectar propiedades de un solo átomo y formas de revolucionar más sus aplicaciones para la recopilación de investigación de materiales críticos. También, el equipo ya prepara una investigación de nombre: “Tunelización de resonancia excitada por rayos X o X-ERT”, para detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material con el uso de rayos X de sincrotrón.

Científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad de Illinois-Chicago, entre otros, informaron de la realización de la primera radiografía de Rayos X de un solo átomo en el mundo.

Con el objetivo de revolucionar la forma en que los científicos detectan los materiales, se logró aumentar la potencia de las fuentes de rayos X. Al respecto, la investigación dada a conocer por la Universidad de Ohio como la revista Nature explica que la cantidad más pequeña que puede someterse a este tipo de rayos está en atogramas, que es unos 10,000 átomos o más.

Lo anterior se debe a que la señal de rayos X producida por un solo átomo es extremadamente débil, de forma que un detector convencional no se puede utilizar.

Saw Wai Hla, profesor de Física de la Universidad de Ohio y científico del Laboratorio Nacional de Argonne que estuvo a cargo de la investigación, detalló que el equipo logró utilizar un instrumento de rayos X de sincrotrón, tecnología ya utilizada en instrumentos como el rover Curiosity que se encuentra en Marte, especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de Advanced Photon Source y el Centro de Materiales a Nanoescala en el Laboratorio Nacional de Argonne.

“Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico”, explicó el también director del Instituto de Fenómenos Cuánticos y de Nanoescala de la Universidad de Ohio.

Hla detalló que, una vez que puedan perfeccionar su instrumento, podrán rastrear los materiales hasta el límite final de solo un átomo.

“Esto tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo”, añadió el científico.

Una descripción del proceso utilizado para el uso de rayos X sobre un átomo. Foto: Universidad de Ohio, Laboratorio Nacional de Argonne

Los primeros átomos vistos por Rayos X

Para la primera demostración de cómo funciona esta tecnología, los científicos eligieron un átomo de hierro y otro de terbio, los cuales fueron insertados en respectivos anfitriones moleculares.

Con el fin de que la señal llegara al átomo, se complementaron los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra para recolectar electrones excitados por rayos X, en una técnica conocida como sincrotrón, en lo que es una microscopía de túnel de exploración de rayos X o SX-STM, explica la investigación.

Esta espectroscopia de rayos X en SX-STM desencadenada por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, lo que constituye huellas dactilares elementales y lo vuelve eficaz para identificar directamente el tipo elemental presente en los materiales.

Una supramolécula en forma de anillo donde solo un átomo de Fe está presente en todo el anillo y del lado izquierdo se muestra la firma de Rayos X de un solo átomo de hierro. Foto: Universidad de Ohio, Laboratorio Nacional de Argonne

El trabajo de Saw Wai Hla para el desarrollo del instrumento SX-STM junto a Volker Rose, científico de Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional de Argonne, ha tardado durante los últimos 12 años.

Su objetivo se centra en las ciencias nano y cuánticas con un énfasis particular en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales en el nivel fundamental sobre la base de un átomo individual para investigar el efecto ambiental de un solo átomo en tierras extrañas o poco conocidas.

Con esto, los científicos también pueden identificar su estado químico para poder manipular mejor los átomos dentro de diferentes materiales anfitriones y satisfacer las necesidades en constante cambio en varios campos.

“El uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales”, explicó Tolulope Michael Ajayi, quien forma parte de la investigación.

En el futuro de esta investigación, los científicos esperan utilizar rayos X para detectar propiedades de un solo átomo y formas de revolucionar más sus aplicaciones para la recopilación de investigación de materiales críticos. También, el equipo ya prepara una investigación de nombre: “Tunelización de resonancia excitada por rayos X o X-ERT”, para detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material con el uso de rayos X de sincrotrón.

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