Возможно, вы думаете о рентгеновских лучах как о странных, слегка радиоактивных волнах, которые проходят через ваше тело для сканирования сломанных костей или зубов. Когда вам делают рентгеновский снимок, медицинские работники, по сути, используют его для определения характеристик вашего тела.
Многие ученые используют рентгеновские лучи в очень похожей роли - у них просто разные цели. Вместо того чтобы сканировать живых существ (которые, скорее всего, долго не протянут под воздействием мощных рентгеновских лучей), они сканируют молекулы или материалы. В прошлом ученые просвечивали рентгеновскими лучами партии атомов, чтобы понять, что они собой представляют, и предсказать, как эти атомы могут повести себя в конкретной химической реакции.
Но до сих пор никому не удавалось сделать рентгеновский снимок отдельного атома. Физики использовали рентгеновские лучи для изучения внутренностей двух различных отдельных атомов в работе, опубликованной в среду в журнале Nature.
"Рентген... использовался множеством различных способов", - говорит Со-Вай Хла, физик из Университета Огайо и Аргоннской национальной лаборатории, автор статьи. "Но удивительно то, чего люди не знают. Мы не можем измерить один атом - до сих пор".
За пределами атомарных снимков
Охарактеризовать атом - это не значит просто сфотографировать его; впервые ученые сделали это еще в 1955 году. С 1980-х годов инструментом фотографов-атомщиков стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Ключевым элементом СТМ является его наконечник размером с бактерию. Когда ученые перемещают наконечник на миллионную долю волоска над поверхностью атома, электроны туннелируют через пространство между ними, создавая ток. Наконечник регистрирует этот ток, а микроскоп преобразует его в изображение. (СТМ может также перетаскивать атомы. В 1989 году двое ученых из компании IBM стали первыми художниками СТМ, написав буквы "IBM" с помощью атомов ксенона).
Но на самом деле определение характеристик атома - сканирование одинокого объекта, сортировка его по элементам, расшифровка его свойств, понимание того, как он будет вести себя в химических реакциях - это гораздо более сложная задача.
Рентгеновские лучи позволяют ученым охарактеризовать большие партии атомов. Когда рентгеновские лучи ударяют по атомам, они передают свою энергию электронам этих атомов, возбуждая их. Все хорошее, конечно, должно заканчиваться, и когда электроны распадаются, они высвобождают свою вновь обретенную энергию в виде, опять же, рентгеновских лучей. Ученые могут изучать это новое излучение, чтобы исследовать свойства атомов, находящихся между ними.
Это фантастический инструмент, и он стал находкой для ученых, которым необходимо исследовать молекулярные структуры. Рентгеновская спектроскопия, как называется этот процесс, помогла, например, создать вакцины COVID-19. Этот метод позволяет ученым изучать группу атомов - определять, какие элементы входят в партию и какова их электронная конфигурация в целом, но он не позволяет ученым сопоставить их с отдельными атомами. "Мы можем увидеть: "О, здесь целая команда футболистов" и "Здесь целая команда танцоров", но мы не смогли определить отдельного футболиста или отдельного танцора", - говорит Фолькер Роуз, физик из Аргоннской национальной лаборатории и еще один из авторов работы.
Пиринг с помощью мощных лучей
Вы не сможете создать машину для разрушения молекул с помощью источника рентгеновского излучения в кабинете стоматолога. Чтобы полностью раскрыть его потенциал, нужен луч гораздо ярче и мощнее. Вам нужно обратиться в ускоритель частиц, известный как синхротрон.
Устройство, которое использовали авторы статьи в Nature, находится в Аргоннской национальной лаборатории, и оно запускает электроны по кольцу на равнинах Иллинойса длиной в две трети мили. Однако вместо того, чтобы сталкивать частицы друг с другом, синхротрон посылает высокоскоростные электроны через волнистую магнитную перчатку. Когда электроны проходят через нее, они высвобождают большую часть своей энергии в виде рентгеновского луча.
Диаграмма, показывающая, как рентгеновские лучи освещают один атом железа (красный шар, обозначенный Fe), который предоставляет элементную и химическую информацию, когда наконечник обнаруживает возбужденный электрон. Со-Вай ХлаАвторы объединили мощность такого рентгеновского пучка с точностью СТМ. В данном случае рентгеновские лучи приводили в движение электроны атома. Однако СТМ вытягивал часть электронов, что позволяло ученым рассмотреть атом гораздо ближе. Ученые дали этому процессу название, которое было бы уместно в игре для сноубордистов на PlayStation 1: синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия (SX-STM).
Объединить рентгеновские лучи и СТМ не так просто. Это две отдельные технологии, используемые двумя совершенно разными группами ученых. Чтобы заставить их работать вместе, потребовались годы работы.
Используя SX-STM, авторы успешно определили расположение электронов в двух различных атомах: одном из железа и другом из тербия, редкоземельного элемента (номер 65), который часто используется в электронных устройствах, содержащих магниты, а также в зеленых флуоресцентных лампах. "Это совершенно новое явление, которое раньше было невозможно", - говорит Роуз.
Ученые считают, что их техника может найти применение в широком спектре областей. Квантовые компьютеры могут хранить информацию в электронных состояниях атомов; исследователи могли бы использовать эту технику для их считывания. Если эта техника получит распространение, то материаловеды смогут управлять химическими реакциями с гораздо большей точностью.
Хла считает, что характеристика SX-STM может опираться на работу, которую уже выполняет рентгеновская наука. "Рентген изменил многие жизни нашей цивилизации, - говорит он. Например, знание того, что делают конкретные атомы, очень важно для создания лучших материалов и для изучения белков, возможно, для будущих иммунизаций".
Теперь, когда Хла и его коллеги доказали, что можно исследовать один или два атома за один раз, он говорит, что перед учеными открыта дорога для определения характеристик целых партий атомов одновременно. "Если вы можете обнаружить один атом, - говорит Хла, - вы можете обнаружить 10 и 20 атомов".