Ohio Üniversitesi Fizik Profesörü ve Argonne Ulusal Laboratuvarı bilim insanı Saw Wai Hla liderliğinde Ohio Üniversitesi, Argonne Ulusal Laboratuvarı, Illinois-Chicago Üniversitesi ve diğer üniversitelerden bilim insanlarından oluşan bir ekip, tek bir atomun dünyanın ilk X-ışını SİNYALİNİ (veya İŞARETİNİ) aldı. Bu çığır açan başarı, ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından finanse edildi ve bilim insanlarının malzemeleri tespit etme yöntemlerinde devrim yaratabilir.
1895’te Roentgen tarafından keşfedilmesinden bu yana X-ışınları tıbbi muayenelerden havaalanlarındaki güvenlik taramalarına kadar her yerde kullanılmaktadır. NASA’nın Mars keşif aracı Curiosity bile Mars’taki kayaların malzeme bileşimini incelemek için bir X-ışını cihazıyla donatılmıştır. X-ışınlarının bilimde önemli bir kullanımı, bir numunedeki malzemelerin türünü belirlemektir. Yıllar içinde, senkrotron X-ışını kaynaklarının ve yeni cihazların geliştirilmesi sayesinde X-ışını tespiti için gerekli olan numunedeki malzeme miktarı büyük ölçüde azaltılmıştır. Bugüne kadar, bir numunenin röntgenini çekebilecek en küçük miktar attogram, yani yaklaşık 10.000 atom veya daha fazlasıdır. Bunun nedeni, bir atom tarafından üretilen X-ışını sinyalinin son derece zayıf olması ve bu nedenle geleneksel X-ışını dedektörlerinin bunu tespit etmek için kullanılamamasıdır. Hla’ya göre, tek bir atomun röntgenini çekmek bilim insanlarının uzun süredir hayalini kurduğu bir şeydi ve bu hayal şimdi kendisinin liderliğindeki araştırma ekibi tarafından gerçekleştiriliyor.
“Atomlar taramalı sonda mikroskopları ile rutin olarak görüntülenebilir, ancak X-ışınları olmadan neyden yapıldıkları söylenemez. Ohio Üniversitesi Nanoölçek ve Kuantum Fenomenleri Enstitüsü’nün direktörlüğünü de yürüten Hla, “Artık her seferinde bir atom olmak üzere belirli bir atomun türünü tam olarak tespit edebiliyor ve kimyasal durumunu eş zamanlı olarak ölçebiliyoruz” dedi. “Bunu yapabildiğimizde, malzemeleri sadece bir atomun nihai sınırına kadar izleyebiliriz. Bunun çevre ve tıp bilimleri üzerinde büyük bir etkisi olacak ve hatta belki de insanlık için büyük bir etki yaratabilecek bir tedavi bulacağız. Bu keşif dünyayı dönüştürecek.”
Nature bilim dergisinde 31 Mayıs 2023’te yayınlanan ve 1 Haziran 2023’te bilim dergisinin basılı versiyonunun kapağını süsleyen makaleleri, Hla ve OHIO’daki doktora öğrencileri de dahil olmak üzere diğer birkaç fizikçi ve kimyagerin, Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Gelişmiş Foton Kaynağı ve Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi’nin XTIP ışın hattında özel olarak yapılmış bir senkrotron X-ışını cihazını nasıl kullandıklarını detaylandırıyor.
Ekip tanıtım için, her ikisi de ilgili moleküler konaklara yerleştirilmiş bir demir atomu ve bir terbiyum atomu seçti. Bir atomun X-ışını sinyalini tespit etmek için araştırma ekibi, X-ışınlarındaki geleneksel dedektörleri, X-ışını ile uyarılmış elektronları toplamak için numuneye aşırı yakınlıkta konumlandırılmış keskin bir metal uçtan yapılmış özel bir dedektörle destekledi – senkrotron X-ışını tarama tünelleme mikroskobu veya SX-STM olarak bilinen bir teknik. SX-STM’deki X-ışını spektroskopisi, temel parmak izlerini oluşturan ve malzemelerin temel türünü doğrudan tanımlamada etkili olan çekirdek seviyesi elektronlarının fotoabsorpsiyonu ile tetiklenir.
Hla’ya göre, spektrumlar parmak izleri gibidir, her biri benzersizdir ve tam olarak ne olduğunu tespit edebilir.
Makalenin ilk yazarı olan ve bu çalışmayı doktora tezinin bir parçası olarak yapan Tolulope Michael Ajayi, “Bu çalışmada kullanılan teknik ve kanıtlanan konsept, X-ışını bilimi ve nano ölçekli çalışmalarda yeni bir çığır açtı” dedi. “Dahası, tek tek atomları tespit etmek ve karakterize etmek için X-ışınlarını kullanmak, araştırmalarda devrim yaratabilir ve kuantum bilgi ve çevresel ve tıbbi araştırmalarda eser elementlerin tespiti gibi alanlarda yeni teknolojilerin doğmasına yol açabilir. Bu başarı aynı zamanda gelişmiş malzeme bilimi enstrümantasyonunun da yolunu açıyor.”
Hla, son 12 yıldır Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Gelişmiş Foton Kaynağı’nda görevli bilim insanı Volker Rose ile birlikte SX-STM cihazının ve ölçüm yöntemlerinin geliştirilmesinde görev alıyor.
“12 yıllık süre zarfında dört OHIO yüksek lisans öğrencisine SX-STM yönteminin geliştirilmesiyle ilgili doktora tezleri için başarılı bir şekilde danışmanlık yapabildim. Tek atomlu X-ışını imzasının tespitini başarmak için uzun bir yol kat ettik” dedi.
Hla’nın çalışması nano ve kuantum bilimlerine odaklanıyor ve özellikle malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini temel düzeyde (tek tek atom bazında) anlamaya odaklanıyor. Tek bir atomun X-ışını imzasını elde etmenin yanı sıra, ekibin temel amacı bu tekniği kullanarak tek bir nadir toprak atomu üzerindeki çevresel etkiyi araştırmaktı.
Hla, “Tek tek atomların kimyasal durumlarını da tespit ettik,” diye açıkladı. “Bir demir atomunun ve bir terbiyum atomunun ilgili moleküler konakçıların içindeki kimyasal durumlarını karşılaştırarak, nadir toprak metali olan terbiyum atomunun oldukça izole olduğunu ve kimyasal durumunu değiştirmediğini, demir atomunun ise çevresiyle güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini gördük.”
Cep telefonları, bilgisayarlar ve televizyonlar gibi günlük cihazlarda kullanılan pek çok nadir toprak malzemesi, teknolojinin yaratılması ve ilerletilmesinde son derece önemlidir. Bu keşif sayesinde bilim insanları artık sadece elementin türünü değil, aynı zamanda kimyasal durumunu da belirleyebilecek ve bu da çeşitli alanlardaki sürekli değişen ihtiyaçları karşılamak için farklı malzemelerin içindeki atomları daha iyi manipüle etmelerine olanak sağlayacaktır. Ayrıca, “X-ışını uyarılmış rezonans tünelleme veya X-ERT” adı verilen ve tek bir molekülün orbitallerinin senkrotron X-ışınları kullanarak bir malzeme yüzeyinde nasıl yönlendirildiğini tespit etmelerini sağlayan yeni bir yöntem de geliştirdiler.
Hla, “Bu başarı, tek bir atomun X-ışını imzasını tespit etmek için senkrotron X-ışınlarını kuantum tünelleme süreciyle birleştiriyor ve senkrotron X-ışınlarını kullanarak tek bir atomun kuantum ve spin (manyetik) özelliklerinin araştırılması da dahil olmak üzere birçok heyecan verici araştırma yönünü açıyor” dedi.
Ajayi’nin yanı sıra, şu anda Fizik alanında doktora öğrencisi olan Sineth Premarathna ve Kimya alanında Xinyue Cheng’in yanı sıra Fizik alanında doktora mezunu Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas ve şu anda Illinois-Chicago Üniversitesi’nde Kimya Mühendisliği Doçenti olan Anh T. Ngo da dahil olmak üzere birçok OHIO lisansüstü öğrencisi bu araştırmada yer aldı. Sanat ve Bilim Fakültesi Roenigk Başkanı ve Kimya Profesörü Eric Masson, bu çalışmada kullanılan nadir toprak molekülünü tasarladı ve sentezledi.
Hla ve araştırma ekibi bundan sonra da tek bir atomun özelliklerini tespit etmek için X-ışınlarını kullanmaya devam edecek ve kritik malzeme araştırmalarında ve daha fazlasında kullanılmak üzere uygulamalarında daha fazla devrim yaratmanın yollarını bulacak.
Kaynak: Science Daily
