Al conseguir la firma única de un átomo, el estudio de materiales críticos da un paso relevante hacia el futuro
La primera imagen de rayos X del mundo de un solo átomo ha sido tomada por un equipo de científicos de diferentes instituciones estadounidenses, según reveló la revista Nature, y hoy es buen momento para tratar de entender por qué una simple radiografía como esta genera titulares en revistas de primer nivel.
Desde que en 1895 fueran descubiertos por Roentgen, los rayos X se han convertido en una especie de viejo amigo que ya no nos resulta extraño en absoluto, desde los exámenes médicos hasta los controles de seguridad en los aeropuertos están equipados con esta técnica que nos ha facilitado tanto la vida, pero, entre sus muchos usos, uno importante para la ciencia es identificar el tipo de materiales de una muestra, y es en este campo en el que el reciente logro trae un aporte.
Existen varias técnicas para utilizar rayos X y observar cómo se estructuran las cosas en escalas extremadamente pequeñas.
Una de ellas es la técnica de rayos X de sincrotrón, en la cual los rayos X se aceleran a altas energías para que emitan una intensa radiación.
Hasta ahora, la cantidad más pequeña que se puede radiografiar de una muestra es en attogramo, es decir, unos 10 000 átomos o más. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un átomo es extremadamente débil, de modo que los detectores de rayos X convencionales no pueden utilizarse para detectarla.
Por esta causa, es un viejo sueño de los científicos radiografiar un solo átomo, pero el logro no tiene que ver solamente con cumplir un viejo deseo. Es necesario comprender su relevancia con justeza.
Con el objetivo de investigar estructuras a escala atómica, este equipo empleó una combinación de rayos X de sincrotrón y una técnica de microscopía llamada microscopía de túnel de barrido. Esta técnica utiliza una punta afilada que actúa como una sonda conductora, interactuando con los electrones del material de prueba a través de un fenómeno conocido como tunelización cuántica.
El líder de este avance, director del Instituto de Fenómenos Cuánticos y Nanoescala de la Universidad de Ohio, profesor Hla, ha resumido de este modo la importancia de la primera radiografía de un solo átomo: «Los átomos pueden visualizarse rutinariamente con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede saber de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo concreto, uno a uno, y medir simultáneamente su estado químico. Una vez que seamos capaces de hacerlo, podremos rastrear los materiales hasta el límite último de un solo átomo. Esto tendrá una gran repercusión en las ciencias médicas y medioambientales y quizá incluso encontremos una cura que pueda tener un enorme impacto para la humanidad. Este descubrimiento transformará el mundo».
El artículo publicado en Nature detalla cómo Hla y varios físicos y químicos utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón construido a tal efecto en la línea de luz XTIP de la Fuente Avanzada de Fotones y el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne.
Un átomo de hierro y uno de terbio, insertados en respectivos huéspedes moleculares, fueron los elegidos para este proyecto. Para detectar la señal de rayos X de uno de los átomos, el equipo de investigación complementó los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado formado por una punta metálica afilada colocada a una proximidad extrema de la muestra para recoger los electrones excitados por los rayos X, una técnica conocida como microscopía de barrido en túnel de rayos X de sincrotrón o SX-STM.
Según ha detallado el sitio especializado Quo, la espectroscopia de rayos X en SX-STM se activa por fotoabsorción de electrones de nivel central, lo que constituye huellas elementales y resulta eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales.
Campos como la información cuántica y la salud serán beneficiados por este avance. Foto: National Geographic
Tolulope Michael Ajayi, primer autor del artículo y que realiza este trabajo como parte de su tesis doctoral, ha explicado a la prensa: «La técnica utilizada y el concepto demostrado en este estudio abren nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala. Es más, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y dar origen a nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de oligoelementos en la investigación medioambiental y médica, por citar algunas. Este logro también abre el camino a la instrumentación avanzada en ciencia de materiales».
El estudio de Hla se centra en las ciencias nanométricas y cuánticas, con especial énfasis en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los materiales a nivel fundamental, es decir, a nivel de átomo individual, pero este logro es solo el final de un recorrido de más de una década aprendiendo a detectar la firma única de los átomos.
«He podido supervisar con éxito a cuatro estudiantes graduados de Ohio para sus tesis doctorales, relacionadas con el desarrollo del método SX-STM durante un período de 12 años. Hemos recorrido un largo camino para lograr la detección de la firma de rayos X de un solo átomo», dijo Hla a la prensa.
A la par de conseguir esta identificación única de los átomos, el equipo científico buscó también conocer detalles sobre el impacto ambiental de los átomos de tierras raras, cada vez más presentes en materiales de uso cotidiano.
«También hemos detectado los estados químicos de átomos individuales», explicó el profesor. «Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y otro de terbio dentro de sus respectivos huéspedes moleculares, descubrimos que el átomo de terbio, un metal de tierras raras, está bastante aislado y no cambia su estado químico, mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con su entorno».
Muchos materiales de tierras raras se utilizan en aparatos de uso cotidiano, como teléfonos móviles, ordenadores y televisores, por nombrar algunos, y son sumamente importantes para crear y hacer avanzar la tecnología. Gracias a este descubrimiento, los científicos pueden ahora identificar no solo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos del interior de distintos materiales anfitriones para satisfacer las necesidades en diversos campos.
Además, también han desarrollado un nuevo método denominado «túnel de resonancia excitada por rayos X o X-ERT», que permite detectar cómo se orientan los orbitales de una única molécula en la superficie de un material utilizando rayos X de sincrotrón.
Al continuar esta área de estudios, se espera que Hla y su equipo de investigación sigan utilizando los rayos X para detectar propiedades de un solo átomo y encontrar formas de revolucionar aún más sus aplicaciones para su uso en la investigación de materiales críticos para la recolección, entre otras múltiples necesidades.
21
