Un team di scienziati dell’Ohio University, dell’Argonne National Laboratory, dell’Università dell’Illinois-Chicago, guidati dal professore di fisica dell’Ohio University e scienziato dell’Argonne National Laboratory, Saw Wai Hla, ha rilevato la “firma” a raggi X di un solo atomo. Dalla sua scoperta da parte di Roentgen nel 1895, i raggi X sono stati utilizzati ovunque, dagli esami medici ai controlli di sicurezza negli aeroporti. Anche Curiosity, il rover marziano della NASA, è dotato di un dispositivo a raggi X per esaminare la composizione dei materiali delle rocce di Marte. Un uso importante dei raggi X nella scienza è quello di identificare il tipo di materiali presenti in un campione.

Nel corso degli anni, la quantità di materiali in un campione necessaria per la rilevazione dei raggi X è stata notevolmente ridotta grazie allo sviluppo di sorgenti di raggi X di sincrotrone e di nuovi strumenti. Le sorgenti di sincrotrone sono acceleratrici di particelle circolari che producono raggi X luminosi. Queste sorgenti di raggi X sono utilizzate per la determinazione della struttura delle proteine. Per disporre di radiazione X intensa, è necessario ricorrere alla luce di sincrotrone.

Un sogno che diventa realtà

Ad oggi, la quantità minima che si può radiografare in un campione è in attogrammi (un attogramma è equivalente a 1 trilionesimo di grammo), un campione di contiene 10.000 atomi o più. Ciò è dovuto al fatto che il segnale dei raggi X prodotto da un atomo è estremamente debole, tanto che i rivelatori convenzionali di raggi X non possono essere utilizzati per rilevarlo. Questa era la realtà, fino a che Hla, ha permesso di realizzare il sogno degli scienziati di radiografare un solo atomo, grazie al gruppo di ricerca da lui guidato.

“Gli atomi possono essere fotografati di routine con i microscopi a scansione di sonda, ma senza i raggi X non si può dire di cosa sono fatti. Ora siamo in grado di rilevare esattamente un particolare atomo alla volta, e di misurarne contemporaneamente lo stato chimico“, ha spiegato Hla, anche direttore del Nanoscale and Quantum Phenomena Institute della Ohio University. Tale traguardo ha un’importanza notevole perché permette di tracciare i materiali fino al limite ultimo di un solo atomo. Questo avrà un grande impatto sulle scienze ambientali e mediche e, senza esagerare, è una scoperta che potrebbe trasformare e rivoluzionare un po’ il mondo.

Uno degli autori dello studio commenta così il risultato: ” L’uso dei raggi X per rilevare e caratterizzare i singoli atomi potrebbe rivoluzionare la ricerca e dare vita a nuove tecnologie in settori quali l’informazione quantistica e il rilevamento di tracce di elementi nella ricerca ambientale e medica, per citarne alcuni. Questo risultato apre anche la strada alla strumentazione avanzata per la scienza dei materiali“.

Un atomo di ferro sotto i raggi x

Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista scientifica Nature il 31 maggio 2023, si è guadagnato la foto di copertina della versione cartacea della rivista scientifica del numero del 1° giugno 2023. L’articolo spiega come Hla e diversi altri fisici e chimici, tra cui studenti di dottorato dell’OHIO, hanno utilizzato uno strumento di sincrotrone a raggi X appositamente costruito presso la linea di fascio XTIP dell’Advanced Photon Source e del Center for Nanoscale Materials dell’Argonne National Laboratory. Per la dimostrazione, il team ha scelto un atomo di ferro e un atomo di terbio. Per rilevare il segnale a raggi X di un atomo, il gruppo di ricerca ha integrato i rivelatori convenzionali a raggi X con un rivelatore specializzato, costituito da una punta metallica affilata posizionata in estrema prossimità del campione per raccogliere gli elettroni eccitati dai raggi X – una tecnica nota come microscopia a scansione tunneling a raggi X di sincrotrone o SX-STM.

La spettroscopia a raggi X in SX-STM è innescata dal fotoassorbimento degli elettroni del livello centrale, che costituiscono delle “impronte digitali” e sono efficaci per identificare direttamente il tipo di elemento dei materiali. L’assorbimento, in fisica, è la capacità di un materiale di assorbire l’energia associata alla radiazione elettromagnetica che si propaga all’interno di esso. Secondo Hla, gli spettri sono come le impronte digitali appunto, ognuna delle quali è unica e in grado di rilevare esattamente ciò che è.

L’uomo dietro la scoperta

Il direttore di questa ricerca ha dedicato più dell’ultimo decennio della sua vita per il raggiungimento di questo importantissimo risultato. Negli ultimi 12 anni, Hla è stato coinvolto nello sviluppo dello strumento SX-STM e dei suoi metodi di misura insieme a Volker Rose, scienziato presso l’Advanced Photon Source dell’Argonne National Laboratory. In questo viaggio molecolare, ha portato con sé anche dei fortunati e talentuosi studenti “Ho potuto supervisionare con successo quattro studenti laureati dell’OHIO per le loro tesi di dottorato relative allo sviluppo del metodo SX-STM“, ha detto Hla. Lo studio di Hla si concentra sulle scienze nanometriche e quantistiche, con particolare attenzione alla comprensione delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali a livello fondamentale, ovvero a livello di singolo atomo.

Più di un obiettivo raggiunto: oltre la morfologia è stata individuata anche la composizione chimica dell’atomo

Oltre a ottenere la firma a raggi X di un atomo, l’obiettivo principale del team era quello di utilizzare questa tecnica per studiare l’effetto ambientale su un singolo atomo di terre rare. “Abbiamo rilevato anche gli stati chimici dei singoli atomi“, ha spiegato Hla. “Confrontando gli stati chimici di un atomo di ferro e di un atomo di terbio, abbiamo scoperto che l’atomo di terbio, un metallo delle terre rare, è piuttosto isolato e non cambia il suo stato chimico, mentre l’atomo di ferro interagisce fortemente con l’ambiente circostante“.

Molti materiali delle terre rare sono utilizzati in dispositivi di uso quotidiano, come telefoni cellulari, computer e televisori, per citarne alcuni, e sono estremamente importanti per la creazione e il progresso della tecnologia. Grazie a questa scoperta, gli scienziati possono ora identificare non solo il tipo di elemento, ma anche il suo stato chimico, il che consentirà loro di manipolare meglio gli atomi all’interno di diversi materiali per soddisfare le esigenze in continua evoluzione in vari campi.

Inoltre, hanno sviluppato un nuovo metodo chiamato “X-ray excited resonance tunneling o X-ERT” che permette di rilevare come gli orbitali di una singola molecola si orientano sulla superficie di un materiale utilizzando i raggi X di sincrotrone.