Ученые получили возможность «просматривать» структуру отдельных атомов

Новости МирТесен

Благодаря проведенным исследованиям, специалистам удалось наблюдать отдельные атомы железа и тербия при помощи рентгеновского излучения. Применение данной методики открывает перспективы для более детального изучения их характеристик и химической природы, а также позволяет исследовать молекулы и материалы с беспрецедентной точностью на атомном уровне.

Первым изображением стал изолированный атом водорода — получили в 2008 году с помощью электронного микроскопа. А через несколько лет ученые сумели рассмотретьДаже внутреннее строение атома, включая расположение электронов на орбиталях, ранее было недоступно для прямого наблюдения. Однако теперь ученым удалось получить изображение отдельного атома при помощи рентгеновского излучения, что обеспечивает более детальную визуализацию.

«Возможность определять тип конкретного атома и одновременно оценивать его химическое состояние открывает перспективы для изучения материалов с разрешением, сопоставимым с размерами атомов», — объяснил профессор Университета Огайо Со-Вай Хла (Saw-Wai Hla). Статья о новой работе опубликована в журнале Nature.

Для получения изображений атомов обычно применяют сканирующие туннельные микроскопы. Используемые инструменты «сканируют» специально подготовленный образец с помощью зонда – тончайшей иглы, на которую подается электрический заряд. Электрические заряды срываются с кончика иглы, проникая через пространство между ней и поверхностью, и формируя электрический ток. Полученные данные о токе, подвергаемые математической обработке, преобразуются в визуальное изображение.

В настоящее время группа профессора Хла разрабатывает рентгеновский аналог данной технологии, известный как «синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия» (SX-STM). В процессе работы образец облучается узким рентгеновским лучом, при этом, помимо стандартного детектора, применяется тонкая металлическая игла, размещенная на минимальном расстоянии от него.

Рентгеновские фотоны переводят электроны внутри атома в возбужденное состояние, перемещая их на более высокие орбитали. Это мгновенно влияет на ток между образцом и иглой, возникающий при туннелировании электронов. Поскольку электроны атомов в различных состояниях обладают разной энергией и располагаются на разных орбиталях, поглощая фотоны с различной длиной волны, это позволяет не только идентифицировать атом, но и определить его химическое состояние.

Недавно ученым удалось успешно применить новую методику SX-STM на практике. Для проведения эксперимента был использован рентгеновский источник APL Аргоннской национальной лаборатории, а в качестве объектов исследования выступили ионы железа и тербия, объединенные в супрамолекулярный комплекс. Этот комплекс выполнил роль своеобразной «подставки», удерживающей атомы в центре.

«Нам удалось установить химические состояния отдельных атомов. Сопоставив их состояния в различных молекулярных комплексах, мы продемонстрировали, что тербий — редкоземельный металл — сохраняет относительно изолированное положение. В то же время, железо, напротив, проявляет значительное взаимодействие с окружающей средой», — заключил профессор Хла.