Puede que los átomos no tengan huesos, pero aun así queremos saber cómo están formados. Estas diminutas partículas son la base sobre la que se construye toda la materia normal (incluidos nuestros huesos), y entenderlas nos ayuda a entender 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, capturando rayos difractados para reconstruir sus configuraciones en forma de cristal.
Ahora, los científicos han utilizado rayos X para caracterizar las propiedades de un solo átomo, lo que demuestra que esta técnica se puede utilizar para comprender la materia al nivel de sus componentes básicos más pequeños.
“Aquí,” escribir un equipo internacional dirigido por el físico Tolulope Ajayi de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU., “demostramos que los rayos X se pueden usar para caracterizar el estado elemental y químico de un solo átomo”.
Los rayos X se consideran una sonda adecuada para la caracterización de materiales a nivel atómico porque su distribución de longitud de onda es comparable al tamaño de un átomo.
Y hay varias técnicas para arrojar rayos X a las cosas para ver cómo se juntan en escalas realmente pequeñas.
uno de esos es rayos X sincrotrónen el que los 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 para obtener imágenes a escala atómica llamada microscopía de túnel de barrido. Este emplea una excelente sonda conductora de punta afilada que interactúa con los electrones del material de prueba en lo que se conoce como “tunelización cuántica”.
En proximidades muy cercanas (como medio nanómetro), la posición precisa de un electrón es incierta, manchándolo a través del espacio entre el material y la sonda; el estado del átomo puede entonces medirse en la corriente resultante.
Juntas, las dos técnicas se conocen como microscopía de túnel de barrido de rayos X sincrotrón (SX-STM). La radiación X amplificada excita la muestra y el detector en forma de aguja recoge los fotoelectrones resultantes. Y es una técnica emocionante que abre algunas posibilidades bastante increíbles: el año pasado, el equipo publicó un artículo sobre el uso de SX-STM para rotar una sola molécula
Esta vez, fueron aún más pequeños, intentando medir las propiedades de un solo átomo de hierro. Ellos crearon por separado ensamblajes supramoleculares, incluidos los iones de hierro y terbio dentro de un anillo de átomos en lo que se conoce como ligando. Un átomo de hierro y seis de rubidio se unieron con ligandos de terpiridina; el terbio, el oxígeno y el bromo se unieron usando ligandos de piridina-2,6-dicarboxamida.
Estas muestras luego se sometieron a SX-STM.
La luz que recibe el detector no es la misma que la luz emitida a la muestra. Algunas longitudes de onda son absorbidas por electrones en el núcleo atómico, lo que significa que hay algunas líneas más oscuras en el espectro de rayos X recibido.
Estas líneas más oscuras, encontró el equipo, son consistentes con las longitudes de onda absorbidas por el hierro y el terbio, respectivamente. Los espectros de absorción también podrían analizarse para determinar los estados químicos de estos átomos.
Para el átomo de hierro ocurrió algo interesante. La señal de rayos X solo podía detectarse cuando la punta de la sonda se ubicaba precisamente sobre el átomo de hierro en su estructura supramolecular y muy cerca.
Esto, dicen los investigadores, confirma la detección en el régimen de tunelización. Debido a que la tunelización es un fenómeno cuántico, esto tiene implicaciones para el estudio de la mecánica cuántica.
“Nuestro trabajo,” los investigadores escriben“conecta los rayos X de sincrotrón con un proceso de tunelización cuántica y abre futuros experimentos de rayos X para caracterizaciones simultáneas de las propiedades elementales y químicas de los materiales en el límite último de un solo átomo”.
Eso es probablemente al menos tan bueno como los huesos.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.