تشخیص نوع اتم با ابداع یک روش جدید

محققان توانستند یک روش جدید ابداع کنند که با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی اشعه ایکس سنکروترون (SX-STM)، قادر به تشخیص نوع اتم و حالت شیمیایی آن شوند.

به گزارش تکناک، تصویربرداری در مقیاس اتمی در اواسط دهه 1950 پدیدار شد و از آن زمان تاکنون به سرعت در حال پیشرفت بوده است. به حدی که در سال 2008، فیزیکدانان با موفقیت از یک میکروسکوپ الکترونی برای تصویربرداری از یک اتم هیدروژن استفاده کردند. پنج سال بعد، دانشمندان توانستند با استفاده از یک میکروسکوپ کوانتومی درون اتم هیدروژن را بررسی کنند که در نتیجه اولین مشاهده مستقیم اوربیتال های الکترونی انجام شد. بر اساس مقاله جدیدی که در مجله نیچر منتشر شده، اکنون ما اولین اشعه ایکس که از یک اتم گرفته شده است را داریم که توسط دانشمندان دانشگاه اوهایو، آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه ایلینوی-شیکاگو انجام شده است.

Saw-Wai Hla، فیزیکدان دانشگاه اوهایو و آزمایشگاه ملی آرگون، می گوید: اتم ها را می توان به طور معمول با میکروسکوپ های کاوشگر روبشی تصویربرداری کرد، اما بدون اشعه ایکس نمی توان تشخیص داد که از چه چیزی ساخته شده اند. ما اکنون می‌توانیم نوع یک اتم خاص را  به طور دقیقً تشخیص دهیم و می‌توانیم به طور همزمان حالت شیمیایی آن را اندازه‌گیری کنیم. زمانی که بتوانیم این کار را انجام دهیم، می‌توانیم مواد را تا حد نهایی یک اتم ردیابی کنیم. این امر تأثیر زیادی بر علوم محیطی و پزشکی خواهد داشت.

هنگامی که یک فرد معمولی به یک اتم فکر می کند، به احتمال زیاد نسخه رایج کلاسیکی از مدل اتمی بور را تصور می کند. این همان جایی است که الکترون ها در مدارهای دایره ای در اطراف هسته اتم حرکت می کنند، مانند سیاراتی که در منظومه شمسی ما به دور خورشید می چرخند. مدارها انرژی‌های گسسته‌ای دارند و این انرژی‌ها به اندازه یک مدار مربوط می‌شوند. به این شکل که کمترین انرژی با کوچک‌ترین مدار مرتبط است. هرگاه یک الکترون سرعت یا جهت خود طبق مدل بور را تغییر دهد، تابش را در فرکانس‌های خاص مرتبط با اوربیتال‌های خاص منتشر می‌کند.

این مدل در طول زمان از زمانی که نیلز بور در سال 1913 آن را پیشنهاد کرد، تغییر کرده است. این اتفاق به دلیل پیشرفتی است که در فهم ما از جهان کوانتومی رخ داده است. اروین شرودینگر مدل اتمی جدیدی پیشنهاد کرد که مدارها را به نفع سطوح انرژی کنار گذاشت. هنوز هم مفاهیم مشابهی با مدل بور دارد. به عنوان مثال، اگر یک اتم گرم شود (یعنی پرانرژی شود)، الکترون های آن به سطوح بالاتر حرکت می کنند. همانطور که آنها سرد می شوند و به حالت اولیه طبیعی خود باز می گردند، انرژی اضافی باید به جایی برود، بنابراین به صورت فوتون ساطع می شود و آن فوتون ها دارای فرکانس هایی هستند که با تغییر سطوح انرژی مطابقت دارند.

الکترون‌ها واقعاً در مدارها از نظر فنی، به دور هسته حرکت نمی‌کنند. الکترون‌ها واقعاً به عنوان امواج هستند. اما وقتی آزمایشی را برای تعیین موقعیت آنها انجام می‌دهید، به صورت ذرات ظاهر می‌شوند و این امواج در حالت ساکن قرار می‌گیرند. می‌توانید بررسی کنید که یک الکترون کجاست، اما هر بار که این کار را انجام می‌دهید، در موقعیت متفاوتی ظاهر می‌شود و این به دلیل برهم‌کنش حالت‌ها اتفاق می افتد  نه به این دلیل که در حال حرکت است.به هر حال، تا زمانی که به الکترون آن نگاه نکنید، موقعیت ثابتی ندارد و تابع موج فرو می ریزد.

محققان معتقدند که اگر اندازه‌گیری‌های تکی زیادی انجام دهید و موقعیت‌های الکترون را برای هر یک ترسیم کنید، در نهایت یک الگوی مدار شبح مانندی به دست خواهید آورد که بسیار نزدیک‌تر به ظاهر یک اتم است.

همانطور که Hla اشاره می کند، فیزیکدانان اکنون می توانند به طور معمول از اتم ها با میکروسکوپ های کاوشگر روبشی تصویربرداری کنند. این روش با قرار دادن یک نوک بسیار تیز بر روی سطح و تشکیل تصویر سطح از سیگنالی که توسط نوک خوانده می شود، کار می کند.  شبیه به دستگاه پخش که شیارهای روی یک صفحه را برای پخش صدا می خواند. اولین مورد از این تکنیک ها، میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)، توسط محققان IBM در سال 1981 توسعه یافت. STM بر اثرات تونل زنی مکانیکی کوانتومی متکی است. همانطور که نوک میکروسکوپ روی یک سطح اسکن می شود، الکترون ها از نوک آن به سطح تونل می روند. جریان تونل زنی اندازه گیری می شود و می توان آن را به تصویر تبدیل کرد.

Hla در 12 سال گذشته روی توسعه یک نسخه اشعه ایکس STM با نام میکروسکوپ تونلی روبشی اشعه ایکس سنکروترون یا SX-STM کار کرده است که دانشمندان را قادر می سازد تا نوع اتم و حالت شیمیایی آن را شناسایی کنند. روش های تصویربرداری اشعه ایکس مانند تشعشعات سنکروترون به طور گسترده در رشته های بی شماری از جمله هنر و باستان شناسی استفاده می شود.

اما کمترین مقداری که تا به امروز می توان با اشعه ایکس انجام داد، یک آتوگرام یا تقریباً 10 هزار اتم است. این به این دلیل است که گسیل اشعه ایکس از یک اتم تنها، آنقدر ضعیف است که تا به حال قابل تشخیص نبوده است.

SX-STM تابش سنکروترون معمولی را با تونل کوانتومی ترکیب می کند. آشکارساز پرتو ایکس معمولی مورد استفاده در اکثر آزمایش‌های تشعشع سنکروترون را با نوع دیگری از آشکارساز جایگزین می‌کند که یک نوک فلزی تیز است و بسیار نزدیک به نمونه قرار می گیرد تا الکترون هایی را که توسط اشعه ایکس به حالت برانگیخته هل داده شده اند، بهتر جمع آوری کند.

با روش Hla و همکاران، اشعه ایکس به نمونه برخورد می‌کند و الکترون‌های هسته را تحریک می‌کند و سپس به نوک آشکارساز تونل می‌زند. جذب نوری الکترون های هسته به عنوان نوعی اثر انگشت عنصری برای شناسایی نوع اتم ها در یک ماده عمل می کند. این تیم روش خود را در خط پرتو XTIP در منبع فوتون پیشرفته Argonne با استفاده از یک اتم آهن و یک اتم تربیوم آزمایش کردند.

این فیزیکدان با تاکید بر این که این همه ماجرا نیست، گفت: ما حالت‌های شیمیایی تک تک اتم‌ها را نیز شناسایی کرده‌ایم. با مقایسه حالت‌های شیمیایی یک اتم آهن و یک اتم تربیوم در میزبان‌های مولکولی مربوطه، متوجه می‌شویم که اتم تربیوم، یک فلز خاکی کمیاب و نسبتاً جدا شده، است و حالت شیمیایی خود را تغییر نمی‌دهد، در حالی که اتم آهن به شدت با اطراف خود تعامل دارد. همچنین، تیم Hla تکنیک دیگری به نام تونل رزونانس برانگیخته با اشعه ایکس (X-ERT) را توسعه داده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد جهت مداری یک مولکول منفرد را روی سطح ماده تشخیص دهند.