การนึกถึงเอกซ์เรย์ (X-ray) อาจทำให้หลายคนคิดภาพเวลาที่ไปตรวจสุขภาพ สแกนปอดหรือช่องปาก แต่เมื่อนักฟิสิกส์ได้ปรับให้แสงนี้มีพลังงานสูงขึ้น มันก็เผยให้เห็นโลกที่มากกว่ากระดูกของเรา นั่นคือ อะตอม และเป็นอะตอมเดี่ยว ๆ พร้อมกับพฤติกรรมทางเคมีของมันแบบเรียลไทม์
งานวิจัยนี้เผยแพร่ผ่านวารสารออนไลน์ Nature เมื่อวันที่ 1 มิถุนายนที่ผ่านมา โดยเป็นครั้งแรกในโลกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเอกซ์เรย์อะตอม และบอกได้ว่าพวกมันมีลักษณะอย่างไร จากการพัฒนาเทคนิคการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์ (Scanning Tunneling Microscopy, STM) มากว่า 12 ปี เพื่อสร้างรุ่นใหม่ที่ชื่อว่า synchrotron X-ray-scanning tunneling microscopy หรือ SX-STM
“เราแสดงให้เห็นว่ารังสีเอกซ์สามารถใช้เพื่อระบุลักษณะธาตุและสถานะทางเคมีของอะตอมเพียงอะตอมเดียวได้” ทูลูโลป เอจายิ (Tolulope Ajayi) จากมหาวิทยาลัยโอไฮโอ กล่าว “อะตอมสามารถถ่ายภาพได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกน แต่ถ้าไม่มีรังสีเอกซ์ เราก็ไม่สามารถบอกได้ว่าพวกมันทำมาจากอะไร”
ก่อนหน้านี้มีความพยายามใช้การเอกซ์เรย์อะตอมมาแล้ว แต่ด้วยข้อจำกัดหลายอย่าง ปริมาณน้อยที่สุดที่ถ่ายภาพได้คือประมาณ 10,000 อะตอม นั่นเป็นเพราะการแผ่รังสีเอกซ์ของอะตอมเดี่ยวนั้นอ่อนแอเกินกว่าจะตรวจจับได้ แต่การเพิ่มพลังงานเข้าไปทำให้นักวิทยาศาสตร์รู็ได้ว่าอะตอมที่พวกเขามองเห็นนั้นคือะตอมของอะไร
ทีมงานได้ศึกษาอะตอมของเหล็ก (Fe) และอะตอมของเทอร์เบียม (Terbium สัญลักษณ์ทางเคมีคือ Tb) ซึ่งเป็นหนึ่งในธาตุโลหะหายากของโลก ทั้งสองถูกแทรกเข้าไปในโฮสต์ของโมเลกุล โดยวางไว้ใกล้มากกับเครื่อง SX-STM ที่มีปลายแหลมพิเศษเพื่อจำกัดขอบเขตอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์
เมื่อยิงรังสีเข้าไป แสงที่กลับออกมาจะแตกต่างกันออกไปในแต่ละอะตอมขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน ทีมงานพบว่าธาตุเทอร์เบียมมีการดูดกลืนแสงที่มากกว่า (เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มากกว่า) ส่งผลให้มันมีสีเข้มกว่าบนเส้นสเปกตรัม ทีมงานจึงบอกความแตกต่างระหว่างอะตอมทั้งสองชนิดนี้ได้
“เมื่อเราสามารถติดตามวัสดุจนถึงขีดจำกัดสูงสุดที่มีเพียงหนึ่งอะตอมได้ สิ่งนี้จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและการแพทย์ และอาจพบวิธีรักษาที่ส่งผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อมนุษยชาติ การค้นพบนี้จะเปลี่ยนแปลงโลก” ศาสตราจารย์ ซาว ไว ฮลา (Saw Wai Hla) ผู้วิจัยอาวุโสจากมหาวิทยาลัยโอไฮโอ กล่าว
ไม่เพียงแค่นั้น “เรายังได้ตรวจพบสถานะทางเคมีของอะตอมแต่ละตัวด้วย” ฮลาเสริม ซึ่งแต่ละตัวต่างก็มีพฤติกรรมทางเคมีที่แตกต่างกันไป “เราพบว่าอะตอมของเทอร์เบียมที่เป็นโลหะหายากของโลก ค่อนข้างแยกตัวได้และไม่เปลี่ยนสถานะทางเคมีของมัน ในขณะที่อะตอมของเหล็กมีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงกับรอบ ๆ”
สัญญาณที่เครื่องตรวจจับมองเห็นได้นั้นถูกนำคล้ายกับลายนิ้วมือในมนุษย์ที่เป็นลายเซ็นของแต่ละคน ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจองค์ประกอบของตัวอย่าง ตลอดจนศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของมัน สิ่งนี้มีความสำคัญต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพ และการใช้วัสดุทั่วไปที่หลากหลาย
“การใช้รังสีเอกซ์เพื่อตรวจจับและระบุลักษณะของอะตอมแต่ละตัว สามารถปฏิวัติการวิจัยและให้กำเนิดเทคโนโลยีใหม่ในด้านต่าง ๆ เช่น ข้อมูลควอนตัม การตรวจจับองค์ประกอบร่องรอยในการวิจัยด้านสิ่งแวดล้อมและการแพทย์ เป็นต้น ความสำเร็จนี้ยังเปิดทางสู่เครื่องมือวัดด้านวัสดุศาสตร์ขั้นสูงอีกด้วย”
.
ที่มา
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w
https://www.iflscience.com/first-x-ray-of-a-single-atom-achieved-69189
https://arstechnica.com/science/2023/05/this-is-the-first-x-ray-taken-of-a-single-atom/