Tác giả: Isabelle Dumé
Cơ chế của tia X đơn nguyên tử. Khi tia X chiếu sáng một nguyên tử (quả bóng màu đỏ ở trung tâm phân tử), các electron ở cấp độ lõi bị kích thích. Các electron được kích thích bằng tia X sau đó đến đầu máy dò thông qua các quỹ đạo chồng chất của nguyên tử/phân tử, việc đó cung cấp thông tin về nguyên tố và hóa học của nguyên tử. (Nguồn: Saw-Wai Hla).
Độ phân giải của kính hiển vi xuyên hầm quét tia X synchrotron lần đầu tiên đã đạt đến giới hạn đơn nguyên theo công trình công bố bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Mỹ. Thành tựu này sẽ có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học, bao gồm cả nghiên cứu về y tế và môi trường.
“Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tia X là mô tả đặc tính của vật liệu,” đồng trưởng nhóm nghiên cứu Saw Wai Hla, nhà vật lý tại Argonne và giáo sư tại Đại học Ohio giải thích. “Kể từ khi được Rơn-ghen phát hiện cách đây 128 năm, đây là lần đầu tiên mà chúng có thể được sử dụng để mô tả các mẫu ở giới hạn tối đa – chỉ là một nguyên tử.”
Cho đến nay, kích cỡ mẫu nhỏ nhất có thể phân tích được là attogram (1 phần tỷ tỷ gram – 10E-18g) – khoảng 10.000 nguyên tử. Điều này là do tín hiệu tia X tạo ra bởi một nguyên tử đơn lẻ cực kỳ yếu và các máy dò thông thường không đủ nhạy để phát hiện ra nó.
Kích thích những electron ở các lớp lõi
Trong công trình mà các nhà nghiên cứu trình bày chi tiết trên tạp chí Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w), họ đã thêm một đầu kim loại sắc nhọn vào máy dò tia X thông thường để phát hiện các electron bị kích thích bằng tia X trong các mẫu chứa nguyên tử sắt hoặc terbium. Đầu nhọn được đặt phía trên mẫu, chỉ cách 1 nm và các electron bị kích thích là các electron cấp lõi – về cơ bản là “dấu vân tay” duy nhất cho mỗi nguyên tố. Kỹ thuật này được gọi là kính hiển vi xuyên hầm quét tia X synchrotron (SX-STM – Synchrotron X-ray Scanning Tunnelling Microscopy).
SX-STM kết hợp độ phân giải không gian cực cao của kính hiển vi quét đường hầm với độ nhạy hóa học do sự chiếu sáng tia X mang lại. Khi đầu nhọn di chuyển trên bề mặt của mẫu, các electron xuyên qua khoảng trống giữa đầu nhọn và mẫu, tạo ra dòng điện. Đầu dò phát hiện dòng điện này và kính hiển vi biến nó thành hình ảnh cung cấp thông tin về nguyên tử dưới đầu nhọn.
Hla giải thích: “Loại nguyên tố, trạng thái hóa học và thậm chí cả dấu hiệu từ tính đều được mã hóa trong cùng một tín hiệu, vì vậy nếu chúng ta có thể ghi lại dấu hiệu tia X của một nguyên tử thì có thể trích xuất thông tin này một cách trực tiếp”.
Saw Wai Hla (bên phải) và tác giả nghiên cứu đầu tiên Tolulope M. Ajayi tại phòng thí nghiệm (Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne)
Khả năng nghiên cứu từng nguyên tử riêng lẻ và các tính chất hóa học của nó sẽ cho phép thiết kế các vật liệu tiên tiến với các đặc tính được điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng cụ thể, đồng trưởng nhóm nghiên cứu Volker Rose cho biết thêm. “Trong nghiên cứu của nhóm, chúng tôi đã xem xét các phân tử chứa terbium, thuộc họ nguyên tố đất hiếm, được sử dụng ở động cơ điện trong xe hybrid và xe điện, ổ đĩa cứng, nam châm hiệu suất cao, máy phát điện tua bin gió, thiết bị điện tử có thể in được và chất xúc tác. Kỹ thuật SX-STM hiện cung cấp một phương pháp/công cụ để nghiên cứu những yếu tố này mà không cần phải phân tích lượng lớn vật liệu.”
Hla cho biết thêm, trong nghiên cứu môi trường, giờ đây nó có khả năng phát hiện ra các vật liệu có thể độc hại ở mức cực thấp. “Điều tương tự cũng đúng đối với nghiên cứu y học trong đó các phân tử sinh học gây bệnh có thể được phát hiện ở giới hạn nguyên tử,” ông nói với Physics World.
Nhóm nghiên cứu cho biết hiện họ muốn khám phá các tính chất từ tính của từng nguyên tử riêng lẻ cho các ứng dụng điện tử spin và lượng tử. Hla giải thích: “Điều này sẽ tác động đến nhiều lĩnh vực nghiên cứu, từ bộ nhớ từ tính được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến lượng tử và điện toán lượng tử cho đến một số lĩnh vực khác”.
Nguồn: https://physicsworld.com/a/synchrotron-x-rays-image-a-single-atom/
Người thực hiện
Nguyễn Tuấn Hùng
©PR-SEP
PR-SEP Team 