DOSSIER:
1. Los científicos consiguen una proeza tecnológica que transformará al mundo
Han radiografiado por primera vez a un solo átomo: su imagen sería como “la nada que parpadea”
Eduardo Martínez de la Fe
El átomo de hierro (círculo rojo) revela su intimidad. SAW WAI HLA.
Los científicos han conseguido por primera vez la radiografía de un solo átomo, cuyo tamaño equivale a la diezmilmillonésima parte de un metro. Un desarrollo que tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad.
Los científicos han podido hacer una radiografía de un solo átomo, por primera vez en la historia de la ciencia.
Hay que tener en cuenta al respecto que un átomo equivale a una diezmilmillonésima de metro, lo que significa que en el diámetro de un cabello humano (unas 80 micras), cabrían 800.000 átomos en fila.
Los autores de esta investigación no solo pudieron distinguir mediante rayos X el tipo de átomos que estaban viendo (había dos diferentes), sino que también lograron estudiar el comportamiento químico que mostraban ambos átomos.
Transformará al mundo
“Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X, uno no puede saber de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico”, explica el autor principal, el profesor Saw Wai Hla, de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne, en un comunicado.
“Una vez que podemos hacer eso, podemos rastrear los materiales hasta el límite final de solo un átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo”, aseguró.
Átomos de tierras raras
Esta investigación pudo rastrear un átomo de hierro y un átomo de terbio, elemento que forma parte de los llamados metales de tierras raras. Ambos fueron insertados en sus respectivos huéspedes moleculares.
Un detector de rayos X convencional se complementó con uno extra especial. Este último tenía una punta de metal afilada especializada que debía colocarse muy cerca de la muestra para recolectar los electrones excitados por rayos X. A partir de las medidas recogidas por la punta, el equipo pudo saber si era hierro o terbio, el primer logro de este experimento. Pero no se quedó ahí.
"También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales", explicó Hla. “Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos que el átomo de terbio está bastante aislado y no cambia su estado químico, mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con su circundante."
Izquierda: imagen de una supramolécula en forma de anillo donde solo un átomo de Fe está presente en todo el anillo. Derecha: firma de rayos X de un solo átomo de hierro. SAW WAI HLA.
Huella dactilar
La señal vista por el detector se ha comparado con una huella dactilar: permite a los investigadores comprender la composición de una muestra, así como estudiar sus propiedades físicas y químicas.
Esto podría ser fundamental para mejorar el rendimiento y la aplicación de una variedad de materiales comunes y no tan comunes, señalan los investigadores.
"La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abre nuevos caminos en la ciencia de rayos X y los estudios a nanoescala", dijo Tolulope Michael Ajayi, el primer autor del artículo que publica la revista Nature.
“Más aún, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales”, añade.
Esta investigación es hoy portada en la prestigiosa revista Nature. YIMING LI Y SAW WAI HLA
Amplios usos
Desde su descubrimiento en 1895, los rayos X tienen un amplio uso, desde exámenes médicos a los controles de seguridad en los aeropuertos, e incluso el rover Curiosity, en Marte, está equipado con un aparato de este tipo para examinar la composición de los materiales de las rocas, destaca Efe.
Un uso importante en la ciencia es identificar el tipo de materiales de una muestra. Con los años y los avances tecnológicos, como las fuentes de rayos X de sincrotón, se ha reducido considerablemente la cantidad de material necesario para la detección.
Hasta la fecha, la cantidad más pequeña que se ha podido radiografiar de una muestra es en attogramo, (unos 10.000 átomos o más), pues la señal de rayos X producida por un átomo es extremadamente débil.
Este dato habla por sí mismo de la importancia tecnológica de haber caracterizado con rayos X a un solo átomo y descubrirlo en su más profunda intimidad. Evocando a la poeta Yaiza Martínez, su imagen sería algo así como ver “la nada que parpadea” (Ediciones La Palma, 2016).
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Referencia
Characterization of just one atom using synchrotron X-rays. Tolulope M. Ajayi et al. Nature, volume 618, pages 69–73 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06011-w
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Fuente:
2. Logran la primera radiografía de la historia de un solo átomo
También desarrollaron un nuevo método llamado 'tunelización de resonancia excitada por rayos X', que permite detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material.
La primera radiografía de un solo átomoSaw-Wai Hla/Ohio University
Un equipo de científicos de varias instituciones estadounidenses tomó la primera radiografía de la historia de un solo átomo (su firma). Desde hace muchos años, los investigadores han estado trabajando en reducir la cantidad de átomos necesarios para detectar la débil señal de rayos X que puede emitir un átomo. Hasta la fecha, la cantidad más pequeña de átomos que podía ser radiografiada eradel orden de unos 10.000.
"Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico", explicó Saw Wai Hla, científico del Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.) y uno de los autores principales de este estudio. "Una vez que podamos hacer eso, podremos rastrear los materiales hasta el límite final de un solo átomo. […] Este descubrimiento transformará el mundo", subrayó Hla.
Los especialistas utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de la fuente avanzada de fotones del Laboratorio Nacional de Argonne. Se eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio. Para detectar la señal de rayos X se complementaron los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra. La técnica se denomina microscopía de túnel de exploración de rayos X del sincrotrón (SX-STM, por sus siglas en inglés).
La espectroscopia de rayos X en SX-STM se desencadena por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, lo que constituye huellas dactilares elementales, y es eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales. El artículo que describe esta investigación fue publicado, este miércoles, en Nature.
Las perspectivas de utilización
"La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abrió nuevos caminos en la ciencia de rayos X y los estudios a nanoescala", comentó Tolulope Michael Ajayi, el primer autor del artículo. "Más aún, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales", enfatizó.
"También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales", explicó Hla. "Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos 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 circundante", destacó el especialista.
A través de este descubrimiento, se pueden identificar no solo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos para satisfacer las necesidades de varios campos. Además, han desarrollado un nuevo método llamado 'tunelización de resonancia excitada por rayos X' o X-ERT, que les permite detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie 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 direcciones de investigación interesantes, incluida la investigación sobre las propiedades cuánticas y de espín [magnéticas] de un solo átomo utilizando rayos X de sincrotrón", concluyó Hla.
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