과학자들이 세계 최초의 X를 보고하다

오하이오 대학교, 아르곤 국립 연구소, 일리노이 대학교-시카고 대학교 등의 과학자 팀은 오하이오 대학교 물리학과 교수와 아르곤 국립 연구소의 과학자인 Saw Wai Hla가 이끄는 팀이 세계 최초의 X선 신호( 또는 서명) 단 하나의 원자. 이 획기적인 성과는 미국 에너지부, 기초 에너지 과학국의 자금 지원을 받았으며 과학자들이 물질을 감지하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있었습니다.

엑스레이는 1895년 뢴트겐이 발견한 이후 건강검진부터 공항 보안 검색까지 모든 곳에서 사용되었습니다. NASA의 화성 탐사선 큐리오시티(Curiosity)에도 X선 장치가 장착되어 화성 암석의 물질 구성을 조사합니다. 과학에서 X선의 중요한 용도는 샘플에 들어 있는 물질의 유형을 식별하는 것입니다. 수년에 걸쳐 싱크로트론 X선 광원과 새로운 장비의 개발로 인해 X선 검출에 필요한 시료의 재료 양이 크게 줄어들었습니다. 현재까지 샘플을 X선으로 조사할 수 있는 최소량은 아토그램 단위로 약 10,000개 이상의 원자입니다. 이는 원자에서 생성되는 X선 신호가 매우 약해서 기존 X선 검출기로는 이를 감지할 수 없기 때문입니다. Hla에 따르면, 원자 하나만 엑스레이로 촬영하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이며, 현재 그가 이끄는 연구팀에 의해 실현되고 있습니다.

"원자는 주사탐침현미경으로 일상적으로 이미지를 얻을 수 있지만 X선이 없으면 원자가 무엇으로 구성되어 있는지 알 수 없습니다. 이제 우리는 한 번에 한 원자씩 특정 원자의 유형을 정확하게 감지할 수 있으며 동시에 측정할 수 있습니다. 그것은 화학적 상태입니다."라고 오하이오 대학의 나노스케일 및 양자 현상 연구소 소장이기도 한 Hla는 설명했습니다. "일단 그렇게 할 수 있게 되면 우리는 단 하나의 원자라는 궁극적인 한계까지 물질을 추적할 수 있습니다. 이는 환경 및 의학에 큰 영향을 미칠 것이며 어쩌면 인류에게 큰 영향을 미칠 수 있는 치료법을 찾을 수도 있습니다. 발견은 세상을 변화시킬 것이다."

2023년 5월 31일 과학 저널 Nature(DOI 10.1038/s41586-023-06011-w)에 게재되고 2023년 6월 1일 과학 저널의 인쇄 버전 표지를 장식한 그들의 논문은 Hla와 여러 가지 방법을 자세히 설명합니다. Ph.D.를 포함한 다른 물리학자 및 화학자 OHIO의 학생들은 Advanced Photon Source의 XTIP 빔라인과 Argonne National Laboratory의 나노 크기 재료 센터에서 특수 목적으로 제작된 싱크로트론 X선 장비를 사용했습니다.

시연을 위해 팀은 각각의 분자 호스트에 삽입된 철 원자와 테르븀 원자를 선택했습니다. 한 원자의 X선 신호를 감지하기 위해 연구팀은 X선 여기 전자를 수집하기 위해 시료에 매우 근접하게 위치한 날카로운 금속 팁으로 만들어진 특수 감지기로 X선의 기존 감지기를 보완했습니다. 이 기술은 싱크로트론으로 알려져 있습니다. X선 스캐닝 터널링 현미경 또는 SX-STM. SX-STM의 X선 분광법은 원소 지문을 구성하고 물질의 원소 유형을 직접 식별하는 데 효과적인 코어 레벨 전자의 광흡수에 의해 촉발됩니다.

Hla에 따르면 스펙트럼은 지문과 같아서 각각 고유하며 그것이 무엇인지 정확히 감지할 수 있습니다.

"이 연구에서 사용된 기술과 입증된 개념은 X선 과학 및 나노 규모 연구에서 새로운 지평을 열었습니다"라고 논문의 첫 번째 저자이자 박사 과정의 일부로 이 작업을 수행한 Tolulope Michael Ajayi가 말했습니다. 명제. "또한 X선을 사용하여 개별 원자를 감지하고 특성화하는 것은 연구에 혁명을 일으킬 수 있으며 양자 정보, 환경 및 의학 연구에서 미량 원소 감지와 같은 분야에서 새로운 기술을 탄생시킬 수 있습니다. 이 성과는 또한 첨단 재료 과학 계측을 위한 길입니다."

지난 12년 동안 Hla는 Argonne National Laboratory의 Advanced Photon Source의 과학자인 Volker Rose와 함께 SX-STM 장비 및 측정 방법 개발에 참여해 왔습니다.