Tarihte ilk kez bir atomun "röntgeni" çekildi

Ohio Üniversitesi'nden fizikçi Saw Wai Hla ve meslektaşları, tarihte ilk kez bir molekülün içine gizlenmiş tek bir demir atomunu X-ışını kullanarak taramayı başardılar. Sonuçları Nature'da yayımlanan araştırmanın, atomların yapısına ilişkin daha net bir bakış açısı sunarak birçok yeni bilimsel keşfe zemin hazırlayacağı değerlendiriliyor.

Perde arkası: Günümüzde son derece güçlü mikroskoplar aracılığıyla atomların tek tek görüntüleri zaten alınabiliyordu; ancak X-ışınları ve bir nesnenin hangi dalga boylarındaki ışığı emdiği veya yaydığına bağlı olarak "kimyasal parmak izini" almanın bir yolu olan spektroskopi olmadan bilim insanları, sadece görüntülere bakarak hangi element üzerinde çalıştıklarını bilemiyor.

• Hla ve meslektaşları tarafından gerçekleştirilen son deneyler ise atomların tek tek tanımlanmasını ve birkaç temel özelliğin ölçülmesini mümkün kıldı. Araştırmacılar, bunu gerçekleştirmek amacıyla "senkrotron" ismi verilen bir parçacık hızlandırıcıdan gelen güçlü X-ışınlarını, bir atom numunesinin yüzeyini taramak için iletken bir uç kullanan tarama tünelleme mikroskobu tekniğiyle kombinledi.
• Deneye ilişkin olarak Inverse'e açıklamalarda bulunan Hla, 1895 yılında, yani neredeyse 130 yıl önce keşfedilen X-ışınlarının daha önce hiç tek bir atomu dahi tespit edemediğini belirterek amaçlarının "X-ışını spektroskopisini atomik ölçeğin en üst sınırlarında kullanmak" olduğunu ifade etti. 

Geniş açı: Elektronları neredeyse ışık hızına kadar hızlandıran, ardından da hızlanan atomları kavisli bir pist etrafında zıplatan senkrotrona bağlı ekipmanlar, elektronların pistin kıvrımlarından geçerken saçtığı parlak ışığı farklı dalga boylarına böler ve kızılötesi ışık veya X-ışını ışığını başka bir ışın hattına gönderir. Bunun sonucunda üretilen X-ışınları, normal bir X-ışını makinesinin sunabileceğinden çok daha parlak ve daha odaklıdır.

• Fizikçiler, ışığın bir malzemedeki moleküllerle nasıl etkileşime girdiğini izleyerek malzemenin yapısı ve yapısının gerçekten çok küçük ayrıntıları hakkında bilgi edinebilirler. Örneğin, belirli bir malzemede demir olup olmadığını bilmek istiyorsanız, örneğinizin en az birkaç bin demir atomu içermesi gerekir, aksi takdirde senkrotron X-ışını muhtemelen onu gözden kaçırır. 
• Ancak materyal bilimciler için çok daha küçük örneklerdeki atomları tespit etmek oldukça önemlidir. Hla, bu durumu "Eğer bir atomun element ve kimyasal durumu tespit edilebilirse, o zaman birçok araştırma alanında büyük bir etki olacaktır." ifadeleriyle açıklıyor.
• Kuantum tünelleme de tam olarak bu noktada oyuna dahil oluyor. Senkrotron X-ışınları bir atom örneğine çarptıklarında atomlara enerji pompalar ve bu yeni enerji patlaması da atomun merkezine en yakın yörüngede dönen bazı elektronları harekete geçirerek elektronların serbest kalmasını sağlar. 
• Bunun için taramaları tünelleme mikroskobu cihazının metal ucunu numuneden kuantum tünelinin oluşması için yeterince yakın bir uzaklık olan yarım nanometre kadar uzakta tutan Hla ve meslektaşları, böylelikle serbest bırakılan elektronların numuneden cihaza geçmesini sağladı.
• Bunu takiben dedektör ucuna ulaşan elektronlar, geldikleri atom hakkında, atomun hangi dalga boylarındaki X-ışını ışığını emdiği gibi bilgilerin ortaya çıkmasına yardımcı olur. Her kimyasal element belirli bir dizi ışık dalga boyunu emdiği, yansıttığı ve yaydığı için, numunenin hangi dalga boylarını emdiğini bilmek, bir elektronun tam olarak hangi elementten geldiğini ortaya çıkarabilir.
• Büyük, karmaşık halka şeklindeki bir moleküldeki tek demir atomunu tarayan Hla ve meslektaşları, tarama ile demir atomunun kaç elektronunun eksik olduğunu da ortaya çıkardı. Sonuçlara göre, söz konusu atomun iki elektron eksik olduğu tespit edildi. Bu, bir atomun yeni kimyasal bağlar oluşturmak için diğer atomlarla nasıl reaksiyona girebileceğini etkilemesi açısından, bilinmesi oldukça önemli bir şey.
• Deney sonucunda elde edilen görüntülere göre, altı rubidyum ve bir demir atomundan oluşan supramoleküler yapılar böyle gözüküyor:

^ScienceAlert

Neden önemli: Bunun üzerine deneyi bu sefer de içinde terbiyum adı verilen nadir bir toprak elementinin tek bir atomu bulunan farklı, daha büyük ve karmaşık bir molekülle tekrarlayan Hla ve meslektaşları, terbiyum atomunu ve kimyasal durumunu tespit etti.

• Böylesine değerli bir elementin tek bir atomunun X-ışını taramalarıyla ayrıntılı görüntülerini birleştirebilmenin, gelecekte mühendisler ve materyal bilimciler için oldukça büyük bir yardım sağlayabileceği değerlendiriliyor. Konuya ilişkin olarak Hla, bu durumun tıbbi araştırmalarda ve kuantum bilgi bilimi üzerinde faydalı olabileceğini belirtiyor.