Puede que los átomos no tengan huesos, pero aun así queremos saber cómo están formados. Estas diminutas partículas son la base de toda la materia natural (incluidos nuestros huesos), y comprenderlas nos ayuda a comprender el universo más grande.

Actualmente usamos luz de rayos X de alta energía para ayudarnos a comprender los átomos y las moléculas y cómo están organizados, mientras capturamos haces difractados para recrear sus configuraciones en forma cristalina.

Ahora, los científicos han utilizado rayos X para caracterizar las propiedades de un solo átomo, lo que demuestra que la técnica se puede utilizar para comprender la materia en el nivel más pequeño de sus componentes básicos.

“aquí,” Escribe un equipo internacional Dirigido por el físico Tululop Ajayi de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU., “hemos demostrado que los rayos X se pueden usar para describir los estados elementales y químicos de un solo átomo”.

Los rayos X son una sonda adecuada para caracterizar materiales a nivel atómico porque su distribución de longitud de onda es comparable al tamaño de un átomo.

Y hay muchas técnicas para arrojar rayos X a las cosas para ver cómo se ensamblan en escalas muy pequeñas.

Uno de esos Rayos X sincrotrónLos rayos X se aceleran a altas energías para que brillen mucho más.

Para tratar de resolver escalas realmente finas, Ajayi y sus colegas utilizaron una técnica que combina rayos X de sincrotrón con una técnica de microscopía de imágenes a escala atómica llamada microscopio de efecto túnel. Este utiliza una excelente sonda conductora con una punta roma que interactúa con los electrones del material de prueba en lo que se conoce como “tunelización cuántica”.

En partículas muy cercanas (como medio nanómetro), la posición exacta del electrón es incierta, lo que hace que se disperse por el espacio entre el material y la sonda; El estado del átomo puede entonces medirse en la corriente resultante.

Juntas, las dos tecnologías se conocen como microscopía de túnel de barrido de rayos X sincrotrón (SX-STM). Los rayos X magnificados excitan la muestra y un detector en forma de aguja recoge los fotoelectrones resultantes. Y es una tecnología emocionante que abre algunas posibilidades asombrosas: el año pasado, el equipo publicó un artículo sobre el uso de SX-STM para Rotar una molécula.

Esta vez, fueron aún más pequeños, tratando de medir las propiedades de un solo átomo de hierro. Creado por separado ensamblajes supramoleculares, incluidos los iones de hierro y terbio dentro de un anillo de átomos en lo que se conoce como un enlace. Un átomo de hierro y seis de rubidio estaban unidos por enlaces terpiridina. El terbio, el oxígeno y el bromo se unieron mediante enlaces piridina-2,6-dicarboxamida.

Estas muestras luego se sometieron a SX-STM.

La luz recibida por el detector es diferente de la luz emitida por la muestra. Algunas longitudes de onda son absorbidas por los electrones en el núcleo atómico, lo que significa que hay algunas líneas más oscuras en el espectro de los rayos X recibidos.

El equipo descubrió que estas líneas oscuras corresponden a longitudes de onda que absorben el hierro y el terbio, respectivamente. Los espectros de absorción también se pueden analizar para determinar los estados químicos de estos átomos.

Para el átomo de hierro sucedió algo interesante. La señal de rayos X solo se puede detectar cuando la punta de la sonda se encuentra exactamente encima del átomo de hierro en su estructura supramolecular y muy cerca.

Los investigadores dicen que esto confirma la detección en el sistema de túneles. Debido a que la tunelización es un fenómeno cuántico, esto tiene implicaciones para el estudio de la mecánica cuántica.

“Nuestro negocio,” escriben los investigadores“conecta los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica y abre futuros experimentos de rayos X para la caracterización simultánea de las propiedades elementales y químicas de los materiales en el límite final de un solo átomo”.

Tal vez esto sea al menos tan bueno como los huesos.

Investigación publicada en naturaleza.