Cientistas fazem o primeiro raio X de um único átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/06/2023

Quando os raios X (azul) iluminam um átomo de ferro (bola vermelha no centro da molécula), os elétrons no nível do núcleo são excitados e então direcionados para a ponta do detector (cinza) por meio de orbitais atômicos/moleculares sobrepostos, que fornecem informações elementares e químicas do átomo de ferro.
[Imagem: Saw-Wai Hla]

Radiografia de um átomo

Uma equipe multi-institucional norte-americana conseguiu fazer a primeira imagem de um átomo individual usando raios X.

Até agora, a menor quantidade de material que se podia radiografar consistia em uma amostra pesando um attograma (10^-18 grama), o que equivale a cerca de 10.000 átomos, dependendo do elemento.

A razão para isso é que o sinal de raios X produzido por um átomo individual é extremamente fraco, não existindo ainda detectores de raios X capazes de detectá-lo.

A equipe venceu estas limitações usando um instrumento de raios X síncrotron instalado no Laboratório Nacional Argônio.

"Os átomos podem ser visualizados rotineiramente com microscópios de sonda de varredura, mas sem raios X não se pode dizer do que eles são feitos. Agora podemos detectar exatamente o tipo de um átomo específico, um átomo por vez, e podemos medir simultaneamente seu estado químico," disse o professor Saw Hla, da Universidade de Ohio.

"Além disso, o uso de raios X para detectar e caracterizar átomos individuais pode revolucionar a pesquisa e dar origem a novas tecnologias em áreas como informação quântica e detecção de oligoelementos em pesquisas médicas e ambientais, só para citar algumas possibilidades. Essa conquista também abre caminho para instrumentação avançada nas ciência dos materiais," disse o pesquisador Michael Ajayi, principal idealizador da nova técnica.

Esta é a ponta do instrumento construído pela equipe e que permitiu fazer a radiografia de um único átomo.
[Imagem: Ajayi et al. - 10.1038/s41586-023-06011-w]

Raio X de um átomo individual

A radiografia de um átomo individual tornou-se possível graças a um detector especial projetado por Ajayi, que foi então utilizado para complementar os detectores tradicionais de raios X.

O detector especializado consiste em uma ponta de metal similar à dos microscópios de rastreamento, posicionada em uma proximidade extrema da amostra, o que a permite coletar elétrons excitados pelos raios X - essa técnica é conhecida como microscopia de tunelamento de varredura de raios X síncrotron ou SX-STM.

A espectroscopia de raios X no SX-STM é desencadeada quando elétrons no nível do núcleo do átomo sendo observado absorvem os fótons de raios X. Ao retornar ao seu nível fundamental de energia, eles liberam novos fótons, que funcionam como impressões digitais elementares e capazes de identificar diretamente o tipo elementar dos materiais.

"Eu pude supervisionar com sucesso quatro alunos de pós-graduação para suas teses de doutoramento relacionadas ao desenvolvimento do método SX-STM, durante um período de 12 anos. Percorremos um longo caminho para alcançar a detecção da assinatura de raios X de um único átomo," disse Hla.

Esquerda: Uma imagem de uma supramolécula em forma de anel onde apenas um átomo de Fe está presente em todo o anel. Direita: Assinatura de raios X de um átomo individual de Fe.
[Imagem: Saw-Wai Hla]

"Mudar o mundo"

Para a primeira demonstração, a equipe escolheu um átomo de ferro (Fe) e um átomo de térbio (Tb), ambos inseridos em hospedeiros moleculares adequados.

"Também detectamos os estados químicos dos átomos individuais," explicou Hla. "Ao comparar os estados químicos de um átomo de ferro e de um átomo de térbio dentro de seus respectivos hospedeiros moleculares, descobrimos que o átomo de térbio, que é um metal de terras raras, é bastante isolado e não muda seu estado químico, enquanto o átomo de ferro interage fortemente com seu entorno."

Elementos de terras raras, ou lantanídeos, são usados em inúmeras tecnologias, como celulares, computadores e televisores. Com estudos como esse que agora se tornaram possíveis, os cientistas poderão identificar não apenas o tipo de elemento, mas também seu estado químico, o que lhes permitirá manipular melhor os átomos dentro de diferentes materiais para atender às necessidades em constante mudança das diversas tecnologias.

"Agora que somos capazes de fazer isso, poderemos rastrear os materiais até o limite final de apenas um átomo. Isso terá um grande impacto nas ciências ambientais e médicas e talvez até encontre uma cura que possa ter um grande impacto na humanidade. Esta descoberta vai mudar o mundo," disse Hla.

E ele não foi o único a se entusiasmar com esta técnica de radiografia atômica: A revista Nature, que publicou o trabalho da equipe, o escolheu para seu artigo de capa.

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