Individuen hebben misschien geen botten, maar we willen toch weten hoe ze in elkaar passen. Deze kleine deeltjes vormen de basis waarop alle normale materie (inclusief onze botten) is gebouwd, en door ze te begrijpen, kunnen we het grotere heelal beter begrijpen.
We gebruiken momenteel hoogenergetisch röntgenlicht om ons te helpen atomen en moleculen te begrijpen en hoe ze zijn gerangschikt, waarbij we de gebroken stralen opvangen om hun configuraties in kristalvorm te reconstrueren.
Nu hebben wetenschappers röntgenstralen gebruikt om de eigenschappen van een enkel atoom te karakteriseren, wat aantoont dat deze techniek kan worden gebruikt om materie te begrijpen op het niveau van de kleinste bouwstenen.
“Hier”, schrijft een internationaal team onder leiding van natuurkundige Tolulope Ajayi van de Ohio University en het Argonne National Laboratory in de VS, “laten we zien dat röntgenstralen kunnen worden gebruikt om de elementaire en chemische toestand van een enkel atoom te karakteriseren.”
Röntgenstralen worden beschouwd als een geschikte sonde voor het karakteriseren van materialen op atomair niveau, omdat hun golflengteverdeling vergelijkbaar is met de grootte van een atoom.
En er zijn veel technieken voor het röntgenstralen van objecten om te zien hoe ze zich op zeer kleine schaal assembleren.
Een daarvan zijn synchrotron-röntgenstralen, waarbij röntgenstralen worden versneld tot hoge energieën, zodat ze veel helderder schijnen.
Om te proberen zeer fijne schalen op te lossen, gebruikten Ajayi en zijn collega’s een techniek die synchrotron-röntgenstralen combineert met een microscopietechniek voor beeldvorming op atomaire schaal, genaamd scanning tunneling-microscopie. Dit maakt gebruik van een sterk geleidende sonde met een scherpe punt die interageert met de elektronen van het testmateriaal in wat bekend staat als “kwantumtunneling”.
In zeer nabije omgevingen (zoals een halve nanometer) is de exacte positie van een elektron onzeker, waardoor het door de ruimte tussen het materiaal en de detector wordt uitgesmeerd. De toestand van het atoom kan dan worden gemeten in de resulterende stroom.
Samen staan de twee technieken bekend als scanning synchrotron X-ray tunneling microscopy (SX-STM). De verbeterde X-straling exciteert het monster en de naalddetector verzamelt de resulterende foto-elektronen. En het is een opwindende techniek die een aantal ongelooflijke mogelijkheden opent: vorig jaar publiceerde het team een paper over het gebruik van SX-STM om een enkel molecuul te laten draaien.
Deze keer gingen ze nog kleiner en probeerden ze de eigenschappen van een enkel ijzeratoom te meten. Ze creëerden afzonderlijke supramoleculaire assemblages, waaronder ijzer- en terbiumionen binnen een ring van atomen in wat een ligand wordt genoemd. Eén ijzer- en zes rubidiumatomen waren bevestigd aan terpyridineliganden. Terbium, zuurstof en broom werden gekoppeld met behulp van pyridine-2,6-dicarboxamide-linkers.
Deze monsters werden vervolgens onderworpen aan SX-STM.
Het licht dat door de detector wordt ontvangen, is niet hetzelfde als het licht dat naar het monster wordt uitgezonden. Sommige golflengten worden geabsorbeerd door elektronen in de atoomkern, wat betekent dat er enkele donkere lijnen in het verkregen röntgenspectrum zijn.
Deze donkere lijnen komen volgens het team overeen met golflengten die respectievelijk door ijzer en terbium worden geabsorbeerd. Absorptiespectra kunnen ook worden geanalyseerd om de chemische toestanden van deze atomen te bepalen.
Voor het ijzeratoom gebeurde er iets interessants. Het röntgensignaal kon alleen worden gedetecteerd als de punt van de sonde zich direct boven het ijzeratoom in zijn supramoleculaire structuur en op extreem korte afstand bevond.
Dit, zeggen de onderzoekers, bevestigt de detectie in het tunnelregime. Omdat tunneling een kwantumfenomeen is, heeft dit implicaties voor de studie van de kwantummechanica.
“Ons werk”, schrijven de onderzoekers, “koppelt synchrotron-röntgenstralen aan een kwantumtunnelingproces en opent toekomstige röntgenexperimenten voor gelijktijdige karakteriseringen van elementaire en chemische eigenschappen van materialen bij de absolute limiet van één atoom.”
Dit is waarschijnlijk minstens zo goed als botten.
Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur.
