ABD’li bilim insanları, daha önce hiç denenmemiş bir başarıya imza atarak evrendeki tüm maddelerin temel yapı taşı olan ve kimyasal reaksiyonlarda rol alan en küçük parçacık olan tek bir atomu, önce X-ışınıyla görüntülemeyi başardılar. Bu olağanüstü deneyde, karmaşık bir molekülün içinde gizlenmiş tek bir demir atomunun özellikleri tespit edildi. Aynı deney, farklı karmaşık molekül üzerinde tekrarlandığında ise içinde nadir toprak metali terbiyumun ve onun kimyasal durumunun belirlenmesine olanak sağladı.
Ohio Üniversitesi, Chicago Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan oluşan bir bilim insanları ekibi, gerçekleştirdikleri deneyde benzersiz bir teknik kullanarak, tek bir atomun özelliklerini tarayarak katı, sıvı veya gaz olup olmadığını ve diğer atomlarla olan bağlarını belirlemeyi başardı. Bu devrim niteliğindeki keşif, maddeyi keşfetme ve tanımlama yöntemlerinde çığır açabilecek önemli bir adımdır. Araştırmanın sonuçları, Nature dergisinde yayımlanan bir raporla duyuruldu.
Araştırmanın Getirdiği Yenilik
Ohio Üniversitesi’nden fizikçi Saw Wai Hla, ekibin liderlerinden biri olarak, daha önce yüzeyleri atomik düzeyde görüntülemek için kullanılan taramalı tünelleme mikroskobunun bir uzantısı olan taramalı sonda mikroskobuyla bireysel atomları gözlemleyebildiklerini, ancak bileşimlerini belirleyemediklerini belirtti. Raporda, bu araştırmanın sunduğu yenilikler şu şekilde açıklandı:
‘’Atomlar, taramalı sonda mikroskoplarıyla rutin olarak görüntülenebilir; ancak X-ışınları olmadan atomların hangi maddeden yapıldığını belirlemek mümkün değildir. Ancak şimdi, her seferinde tek bir atom olmak üzere, belirli bir atomun türünü ve kimyasal durumunu tam olarak tanımlayabiliyoruz. Bunu bir kez yapabildiğimizde, malzemeleri tek bir atomun nihai sınırlarına kadar analiz etmek mümkün olacak. Bu durum, çevre ve tıp bilimlerini büyük ölçüde etkileyebilir ve insanlığa potansiyel olarak dönüştürücü tedavilere yol açabilir. Bu keşif dünyayı dönüştürecek.”
Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, on binlerce atomu aynı anda görüntüleyebilen cihazlarla çalışırken, tek bir atomu görüntüleyebilmek için özel bir senkrotron (parçacık hızlandırıcı) cihazı olan senkrotron X-ışını taramalı tünelleme mikroskobunu geliştirdi. Bu teknoloji, kuantum mekaniği olgularına dayanmaktadır.
Ohio Üniversitesi’nden ve ekip liderlerinden Tolulope Michael Ajayi, raporda yöntemi şu şekilde açıkladı:
Bu çalışmada kullanılan teknik, X-ışınları biliminde ve nano ölçekli çalışmalarda çığır açacak bir konsepti kanıtlamıştır. X-ışınlarını kullanarak tek tek atomları tespit etmek ve özelliklerini belirlemek, araştırmalarda devrim yapabilir ve kuantum bilgisinde, çevresel ve tıbbi araştırmalarda nadir elementlerin tespiti için yeni teknolojilerin geliştirilmesine olanak sağlayabilir. Bu sadece akla ilk gelenler arasında yer almaktadır.
Bu başarı aynı zamanda gelişmiş malzeme bilimi alanında da bir dönüm noktasıdır.
Ekip, “X-ışını uyarımlı rezonans tünelleme” veya kısaca “X-ERT” olarak adlandırdıkları yeni tekniklerinin, elektronik cihazlarda kullanılan nadir toprak metallerinin işleyişinin daha iyi anlaşılması gibi birçok alanda uygulanabilirliğe sahip olduğunu açıkladı.
Tek Bir Atomun Önemi
Numunelerin X-ışınlarını algılaması için gereken malzeme miktarı, senkrotron X-ışını kaynaklarının ve yeni cihazların geliştirilmesiyle zaman içinde önemli ölçüde azaldı.
Bugüne kadar, bir numunenin X-ışınlarıyla taranması için gereken en küçük miktar yaklaşık 10 bin atom veya daha fazlası olan attogram seviyesindeydi. Bu durumun sebebi, bir atom tarafından üretilen X-ışını sinyalinin, geleneksel X-ışını detektörleriyle tespit edilemeyecek kadar zayıf olmasıdır.
X-ışınlarının keşfi, neredeyse 130 yıl önce, 1895 yılında gerçekleşti. Ancak, bu süre zarfında, hiçbir zaman tek bir atomun X-ışınlarıyla tespit edilemediğini hatırlatan Hla, kendi liderliğindeki araştırma ekibi tarafından gerçekleştirilen çalışmanın, bilim insanlarının uzun zamandır hayalini kurduğu tek bir atomu X-ışınlarıyla saptama hedefini başardığına dikkat çekti.
