Esta es la primera radiografía en la que se ve un solo átomo

Científicos informan en Nature de la primera radiografía de un átomo utilizando rayos X 

Un equipo de científicos de distintas universidades e instituciones en EE UU han tomado la primera imagen de rayos X del mundo de un solo átomo. Este logro pionero podría revolucionar la forma en que los científicos detectan los materiales.

Desde su descubrimiento por Roentgen en 1895, los rayos X se han utilizado en todas partes, desde los exámenes médicos hasta los controles de seguridad en los aeropuertos. Incluso Curiosity, el explorador de Marte de la NASA, está equipado con un dispositivo de rayos X para examinar la composición de los materiales de las rocas de Marte. Un uso importante de los rayos X en la ciencia es identificar el tipo de materiales de una muestra.

A lo largo de los años, la cantidad de materiales de una muestra necesaria para la detección con rayos X se ha reducido considerablemente gracias al desarrollo de fuentes de rayos X de sincrotrón y de nuevos instrumentos. Hasta la fecha, la cantidad más pequeña que se puede radiografiar de una muestra es en attogramo, es decir, unos 10.000 átomos o más. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un átomo es extremadamente débil, de modo que los detectores de rayos X convencionales no pueden utilizarse para detectarla. Según Hla, es un viejo sueño de los científicos radiografiar un solo átomo, que ahora hace realidad el equipo de investigación dirigido por él.

«Los átomos pueden visualizarse rutinariamente con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede saber de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo concreto, uno a uno, y medir simultáneamente su estado químico», explicó Hla, que también es director del Instituto de Fenómenos Cuánticos y Nanoescala de la Universidad de Ohio. «Una vez que seamos capaces de hacerlo, podremos rastrear los materiales hasta el límite último de un solo átomo. Esto tendrá una gran repercusión en las ciencias médicas y medioambientales y quizá incluso encontremos una cura que pueda tener un enorme impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo», comentó.

Su artículo, publicado en la revista científica Nature detalla cómo Hla y varios otros físicos y químicos utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón construido a tal efecto en la línea de luz XTIP de la Fuente Avanzada de Fotones y el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne.

Para la demostración, el equipo eligió un átomo de hierro y otro de terbio, ambos insertados en respectivos huéspedes moleculares. Para detectar la señal de rayos X de uno de los átomos, el equipo de investigación complementó los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado formado por una punta metálica afilada colocada a una proximidad extrema de la muestra para recoger los electrones excitados por los rayos X, una técnica conocida como microscopía de barrido en túnel de rayos X de sincrotrón o SX-STM. La espectroscopia de rayos X en SX-STM se activa por fotoabsorción de electrones de nivel central, lo que constituye huellas elementales y resulta eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales.

Según Hla, los espectros son como huellas dactilares, cada una de las cuales es única y capaz de detectar exactamente lo que es.

«La técnica utilizada y el concepto demostrado en este estudio abren nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala», afirma Tolulope Michael Ajayi, primer autor del artículo y que realiza este trabajo como parte de su tesis doctoral. «Es más, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y dar origen a nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de oligoelementos en la investigación medioambiental y médica, por citar algunas. Este logro también abre el camino a la instrumentación avanzada en ciencia de materiales».

Durante los últimos 12 años, Hla ha participado en el desarrollo de un instrumento SX-STM y sus métodos de medición junto con Volker Rose, científico de la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne.

«He podido supervisar con éxito a cuatro estudiantes graduados de OHIO para sus tesis doctorales relacionadas con el desarrollo del método SX-STM durante un periodo de 12 años. Hemos recorrido un largo camino para lograr la detección de la firma de rayos X de un solo átomo», dijo Hla.

El estudio de Hla se centra en las ciencias nanométricas y cuánticas, con especial énfasis en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales a nivel fundamental, es decir, a nivel de átomo individual. Además de conseguir la firma por rayos X de un átomo, el objetivo clave del equipo era utilizar esta técnica para investigar el efecto ambiental en un solo átomo de tierras raras.

«También hemos detectado los estados químicos de átomos individuales», explicó Hla. «Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y otro de terbio dentro de sus respectivos huéspedes moleculares, descubrimos 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 entorno».

Muchos materiales de tierras raras se utilizan en aparatos de uso cotidiano, como teléfonos móviles, ordenadores y televisores, por nombrar algunos, y son sumamente importantes para crear y hacer avanzar la tecnología. Gracias a este descubrimiento, los científicos pueden ahora identificar no sólo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos del interior de distintos materiales anfitriones para satisfacer las necesidades siempre cambiantes en diversos campos. Además, también han desarrollado un nuevo método denominado «túnel de resonancia excitada por rayos X o X-ERT» que permite detectar cómo se orientan los orbitales de una única molécula en la superficie de un material utilizando rayos X de sincrotrón.

«Este logro conecta los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica para detectar la firma de rayos X de un átomo individual y abre muchas vías de investigación apasionantes, incluida la investigación de las propiedades cuánticas y de espín (magnéticas) de un solo átomo utilizando rayos X de sincrotrón», declaró Hla.

En el futuro, Hla y su equipo de investigación seguirán utilizando los rayos X para detectar propiedades de un solo átomo y encontrar formas de revolucionar aún más sus aplicaciones para su uso en la investigación de materiales críticos para la recolección y mucho más.

REFERENCIA

Characterization of just one atom using synchrotron X-rays