Primera radiografía de un solo átomo

Desde su descubrimiento por Roentgen en 1895, los rayos X se han utilizado en todas partes, desde exámenes médicos hasta controles de seguridad en aeropuertos. Un uso importante de los rayos X en la ciencia es identificar el tipo de materiales en una muestra. A lo largo de los años, la cantidad de materiales necesarios en una muestra para la detección de rayos X se ha reducido considerablemente gracias al desarrollo de fuentes de rayos X de sincrotrón y nuevos instrumentos.

Hasta la fecha, la cantidad más pequeña que se puede someter a rayos X a una muestra está en atogramas, 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, por lo que los detectores de rayos X convencionales no pueden usarse para detectarla. Según Saw Wai Hla Hla, –primer autor del estudio y profesor en Ohio State e investigador del Argonne Nationall Laboratory– es un viejo sieño de los científicos obtener una radiografía de un solo átomo, que ahora está siendo realizado por el equipo de investigación dirigido por él.

«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 un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico», explicó en un comunicado Hla, quien también es director del Instituto de Fenómenos Cuánticos y de Nanoescala de la Universidad de Ohio. «Una vez que podamos hacer eso, podremos rastrear los materiales hasta el límite máximo de un solo átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias médicas y ambientales y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo».

Su artículo, publicado en la portada de Nature de este 1 de junio, detalla como el equipo de físicos utilizó un instrumento de rayos X de sincrotrón especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de Advanced Photon Source y el Centro de Materiales a Nanoescala en Argonne.

Para la demostración, el equipo eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio, ambos insertados en respectivos anfitriones moleculares. Para detectar la señal de rayos X de un átomo, el equipo de investigación complementó los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra para recolectar electrones excitados por rayos X, una técnica conocida microscopía de efecto túnel de barrido de rayos X sincrotrón o SX-STM. 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.

Según Hla, los espectros son como huellas dactilares, siendo cada uno único y capaz de detectar exactamente lo que es.

«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.»

Muchos materiales de tierras raras se utilizan en dispositivos cotidianos, como teléfonos celulares, computadoras y televisores por nombrar algunos, y son extremadamente importantes en la creación y el avance de la tecnología. A través de este descubrimiento, los científicos ahora pueden identificar no solo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos dentro de diferentes materiales anfitriones para satisfacer las necesidades en constante cambio en varios campos.