Desde que los rayos X se descubrieron a finales del siglo XIX, han sido una herramienta esencial en muchos campos. Este tipo de radiación electromagnética tiene una energía muy alta y una longitud de onda corta, pero no solo sirven para mostrarnos si tenemos una fractura o un hueso roto; se emplean para muchos propósitos, también en el espacio, como el observatorio Chandra que observa en el espectro de rayos X desde que fue lanzado en julio de 1999. Si bien lo hemos usado también para estudiar el mundo molecular, nunca habíamos podido estudiar un átomo individual con rayos X, solo con lotes de átomos para comprender qué son y predecir cómo les iría a esos átomos en una reacción química particular. Hasta ahora.
Un nuevo estudio realizado por científicos del Laboratorio Nacional Argonne de la Universidad de Ohio y la Universidad de Illinois-Chicago ha revelado la imagen de las propiedades de un solo átomo, utilizando solo la técnica de rayos X, según apuntan los investigadores en su trabajo publicado en la revista Nature.
Un átomo mediante rayos X
Los microscopios extremadamente potentes pueden tomar imágenes de átomos individuales y, de hecho, lo hacen prácticamente todo el tiempo, pero sin los rayos X y la espectroscopia (una forma de tomar la "huella digital química" de un objeto en función de las longitudes de onda de luz que absorbe o emite), las imágenes por sí solas no pueden decirle a los científicos qué elemento están mirando. Caracterizar un átomo (escanear el objeto solitario, clasificarlo por su elemento, decodificar sus propiedades, comprender cómo se comportará en las reacciones químicas) es una tarea mucho bastante compleja.
En diversos experimentos, los investigadores consiguieron lo que hasta ahora no había podido la ciencia: combinar rayos X en un túnel cuántico y enfocarlos en un acelerador de partículas llamado sincrotrón con una técnica llamada microscopía de túnel de barrido, que utiliza una punta conductora para escanear la superficie de una muestra. Identificaron átomos individuales y midieron algunas de sus propiedades clave.
"La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abrió nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala", comentó Tolulope Michael Ajayi, coautor del estudio.
Primera radiografía de un átomo
Tunelización cuántica
Para la demostración, el equipo eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio, ambos insertados en respectivos anfitriones moleculares. Para detectar la señal de rayos X de un átomo, 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 (SX-STM). La espectroscopia de rayos X en SX-STM se desencadena por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, siendo realmente eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales produciendo una huella digital única.
En el experimento, no solo pudieron distinguir el tipo de átomos que estaban viendo (había dos diferentes), sino que también lograron estudiar el comportamiento químico que mostraban estos átomos. El equipo encontró que los espectros de absorción de rayos X revelaron huellas dactilares correspondientes a los átomos de hierro y terbio.
"También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales", explicó Hla. “Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos que el átomo de terbio, un metal de tierras raras, está bastante aislado y no cambia su estado químico mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con su circundante."
Un descubrimiento que transformará el mundo
"Se pueden obtener imágenes de los átomos de forma rutinaria con microscopios de sonda de exploración, pero sin rayos X no se puede saber de qué están hechos", dijo expuso Sai Wai Hla, físico de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne y coautor del trabajo. “Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico. Una vez que podamos hacer eso, podremos rastrear los materiales hasta el límite máximo de un solo átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias médicas y ambientales y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo".
Los científicos continuarán usando rayos X para detectar propiedades de un único átomo y encontrar formas de revolucionar aún más sus aplicaciones para su uso en la recopilación de investigación de materiales críticos y mucho más.