X de um único átomo

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Os cientistas mediram a assinatura de raios-X de um único átomo pela primeira vez. O esforço foi publicado na Nature e é de autoria de uma equipe multicêntrica, incluindo pesquisadores da Universidade de Ohio, do Argonne National Laboratory, da Universidade de Illinois-Chicago e outros. O estudo pode ter um grande impacto sobre como os cientistas detectam a composição química dos materiais.

Os raios-X são usados ​​em vários campos – desde a varredura de ossos quebrados até a detecção de riscos de segurança em aeroportos. Na pesquisa científica, os raios X são usados ​​para analisar as propriedades dos materiais. Avanços na instrumentação de análise, como o advento do síncrotron de raios-X, diminuíram o tamanho da amostra necessária para produzir uma leitura precisa. Atualmente, a menor quantidade de uma substância necessária para a análise de raios-X é um attograma – que é de aproximadamente 10.000 átomos ou mais. O novo avanço representa uma mudança radical em nossas habilidades de detecção.

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Até agora, o limite do attograma existia devido à fraqueza do sinal de raios-X produzido por quantidades atômicas menores. Saw Wai Hla, pesquisador do Argonne National Laboratory e professor de física na Universidade de Ohio, disse que os cientistas há muito tempo buscam uma técnica para visualizar números menores de átomos. "Os átomos podem ser rotineiramente visualizados com microscópios de sondagem de varredura, mas sem raios-X, não se pode dizer do que eles são feitos. Agora podemos detectar exatamente o tipo de um átomo específico, um átomo de cada vez, e podemos medir simultaneamente sua composição química. estado", disse Hla.

Para ficar no limbo sob essa barreira física, Hla e sua equipe usaram um síncrotron de raios-X customizado alojado no Centro de Materiais em Nanoescala do Argonne National Laboratory.

No artigo, os pesquisadores mostraram sua técnica caracterizando os sinais de um ferro e um átomo de térbio. Os pesquisadores adicionaram um detector especializado ao equipamento convencional de raios-X. Este scanner de bônus apresentava uma haste de metal afiada colocada imediatamente ao lado da amostra. A extrema proximidade da haste permitiu que ela absorvesse elétrons excitados produzidos quando a amostra foi escaneada. Este método é chamado microscopia de tunelamento de varredura de raios X síncrotron ou SX-STM. A energia emitida pelos átomos está ligada às suas propriedades físicas centrais, o que significa que eles representam "impressões digitais" elementares únicas, permitindo que o átomo seja identificado.

"A técnica usada e o conceito comprovado neste estudo abriram novos caminhos na ciência dos raios X e nos estudos em nanoescala", disse Tolulope Michael Ajayi, aluno de doutorado e primeiro autor do estudo. "Além disso, o uso de raios X para detectar e caracterizar átomos individuais pode revolucionar a pesquisa e dar origem a novas tecnologias em áreas como informação quântica e detecção de oligoelementos em pesquisas médicas e ambientais, para citar algumas. Essa conquista também abre o caminho para instrumentação de ciência de materiais avançados."

A equipe passou a caracterizar como os átomos foram afetados por serem armazenados dentro de diferentes hospedeiros moleculares. “Descobrimos que o átomo de térbio, um metal de terras raras, é bastante isolado e não muda seu estado químico, enquanto o átomo de ferro interage fortemente com o ambiente”, disse Hla.

As aplicações desse novo conhecimento abrangem muitos campos. Metais de terras raras, como o térbio, são componentes-chave de dispositivos do dia a dia, como TVs e telefones, mas também em tecnologias avançadas, como lasers e ligas aeroespaciais. As novas descobertas permitirão aos cientistas que trabalham com esses materiais entender melhor como suas propriedades químicas são modificadas pelo ambiente, o que deve abrir ainda mais usos potenciais para esses elementos.