世界初のXがここにある

Jun 11, 2023

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何十年にもわたって、科学は、あらゆるものの構成要素である原子のミクロの世界を捉えることによって、以前は見えなかったものを垣間見ることができるようになりました。

新しい論文の中で、オハイオ大学、アルゴンヌ国立研究所、イリノイ大学シカゴ校の科学者らは初めて単一原子をX線撮影した。

X 線撮影は、科学者が原子の化学状態をより深く理解するのに役立ち、医学や技術の進歩につながる可能性があります。

原子はすべてを構成しているので、科学者が考えられるあらゆる方法で原子を画像化したいと考えるのは当然です。 たとえば、2008 年に物理学者は電子顕微鏡を使用して水素原子を画像化しました。 2013 年、科学者たちは量子顕微鏡を使用して原子の電子を観察しました。 そして2018年には、オックスフォード大学の学生が市販のカメラを使って原子の画像を撮影したこともあった。

今回、オハイオ大学、アルゴンヌ国立研究所、イリノイ大学シカゴ校の科学者らが最初の原子をX線撮影した。 最も微細な原子を理解することが医学および環境科学の進歩につながる可能性があるため、これは画期的な進歩です。

X 線は、波長分布が原子のサイズに似ているため、原子の研究に適しています。 しかし、この実証が水曜日にネイチャー誌に掲載されるまでは、可能な最小の X 線では、アトグラムまたは約 10,000 個の原子のサイズまでの画像を鮮明にする解像度しかありませんでした。 当時、原子の X 線放射は検出するには弱すぎると考えられていました。 しかし、すべてが変わりました。

オハイオ大学と筆頭著者のソー・ワイ・フラ氏は声明で、「原子は走査型プローブ顕微鏡で日常的に画像化できるが、X線がなければ原子が何でできているかを知ることはできない」と述べた。 「現在では、特定の原子の種類を一度に 1 原子ずつ正確に検出できるようになり、同時にその化学状態を測定できるようになりました。」

デモンストレーションでは、Hla 氏と彼のチームは、超分子ホストに収容された鉄 (Fe) 原子とテルビウム (Tb) 原子と、シンクロトロン X 線走査トンネル顕微鏡 (SX-STM) として知られる複雑な技術を使用しました。 このプロセスは、鋭い先端を表面上で走らせ、その先端から画像を生成することによって機能します（Ars Technica によると、レコード針がビニールレコードの溝を読み取るのと似ています）。

「量子トンネリング」として知られる現象（量子粒子が固体物体を時折飛び越える現象）を利用して、励起されたコア原子がこの先端までトンネルし、存在する個々の原子とその化学状態の両方を識別する一種の元素指紋を形成します。 Hla氏はこう説明する。

「私たちは個々の原子の化学状態も検出しました。それぞれの分子ホスト内の鉄原子とテルビウム原子の化学状態を比較すると、希土類金属であるテルビウム原子はむしろ孤立しており、存在しないことがわかります。鉄原子は周囲と強く相互作用しながら、その化学状態を変化させます。」

原子とその化学状態を最も基本的に理解することで、科学者は、ほぼすべての電子機器に含まれる希土類金属などの材料をより適切に操作して、効率を高めることができるようになります。

科学者たちは、非常に小さなものを画像化する方法を模索し続けると同時に、世界を変える画期的な進歩がもたらす非常に大きな意味を発見しています。

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