Por primera vez en la historia de la humanidad, los científicos crearon lo inimaginable para explorar este «mundo invisible», a la par le dieron forma al temido acelerador de partículas
El Heraldo de México. Por primera vez en la historia de la humanidad, los científicos realizaron la primera radiografía de un átomo. Para hacerlo, necesitaron un túnel cuántico y un acelerador de partículas, los cuales rompieron con todo lo estudiado hasta el día de hoy. Recordemos que desde que los rayos X se descubrieron a finales del siglo XIX, han sido una herramienta esencial en muchos campos, principalmente en la medicina. Sin embargo este tipo de herramienta electromagnética tiene una energía muy alta y una longitud de onda corta. Lo que de manera general nos permite mostrarnos tanto las fisuras de los huesos rotos como el propio universo.
Un ejemplo de esto es lo que está instalado en el obervatorio Chandra que observa en el espectro de rayos X desde que fue lanzado en julio de 1999. Si bien lo hemos usado también para estudiar el mundo molecular, nunca habíamos podido llegar al fondo de un átomo individual, solo se podría haber utilizado con lotes de átomos. De esta manera comprenderíamos qué son y hasta podríamos predecir cómo les iría a esos átomos en una reacción química particular.
Finalmente el ser humano creo una herramienta capaz de «ver» a los átomos como nunca antes
Un nuevo estudio realizado por científicos del Laboratorio Nacional Argonne de la Universidad de Ohio y la Universidad de Illinois-Chicago ha revelado la imagen de las propiedades de un solo átomo, esto solamente utilizando solo la técnica de rayos X, según apuntan los investigadores en su trabajo publicado en la revista Nature.
¿Cómo se ve un átomo mediante rayos X?
La herramienta a utilizarse debe ser extremadamente potente, los microscopios pueden tomar imágenes de átomos individuales y lo hacen prácticamente todo el tiempo. Gracias a la espectroscopia —una forma de tomar la «huella digital química» de un objeto en función de las longitudes de onda de luz que absorbe o emite—, las imágenes por sí solas no pueden decirle a los científicos qué elemento están mirando. Caracterizar un átomo implica:
- Escanear el objeto solitario.
- Clasificarlo por su elemento.
- Decodificar sus propiedades.
- Comprender cómo se comportará en las reacciones químicas.
- Y esta es una tarea mucho bastante compleja.
En diversos experimentos, los investigadores consiguieron lo que hasta ahora no había podido la ciencia pues combinaron las técnicas de los rayos X en un túnel cuántico y los enfocaron en un acelerador de partículas llamado sincrotrón con una técnica llamada microscopía de túnel de barrido. Esto es más fácil de comprender de lo que parece —aunque la idea fue toda una osadía—, se utiliza una punta conductora para escanear la superficie de una sola muestra. Ya aquí identificaron los átomos individuales y se midieron algunas de sus propiedades clave.
«La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abrió nuevos caminos en la ciencia de los rayos X y los estudios a nanoescala», explicó Tolulope Michael Ajayi, coautor del estudio.
¿Cómo funcionó el túnel cuántico?
El equipo eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio para la demostración. Estos fueron insertados en respectivos anfitriones moleculares. Para detectar la señal de rayos X de un átomo, complementaron los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra para recolectar electrones excitados por rayos X (SX-STM).
La espectroscopia de rayos X en SX-STM se desencadena por la fotoabsorción —un proceso biológico complejo que absorbe y convierte la energía— de los electrones del nivel del núcleo. Esto resultó sumamente eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales produciendo una huella digital única. Es como si pusiéramos a diferentes «humanitos» en una canasta y pudiésemos observar las diferencias que hay entre cada uno.
En el experimento se distinguió el tipo de átomos que se estaban viendo —había dos diferentes—, y también se logró estudiar el comportamiento químico que mostraban estos átomos. El equipo encontró que los espectros de absorción de rayos X revelaron huellas dactilares correspondientes a los átomos de hierro y terbio.
«También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales», detalló Hla. “Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos 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 circundante.»
¡Este descubrimiento transformará el mundo!
Gracias a que ahora podremos obtener imágenes de los átomos de forma rutinaria, con microscopios de sonda de exploración, pero sin rayos X:
“Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico. También podremos rastrear los materiales hasta el límite máximo de un solo átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias médicas y ambientales y tal vez incluso encuentre una cura que pueda tener un gran impacto para la humanidad.», expuso Sai Wai Hla, físico de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne y coautor del trabajo.
Los científicos continuarán usando rayos X para detectar propiedades de un único átomo y encontrar formas de revolucionar aún más sus aplicaciones para su uso en la recopilación de investigación de materiales críticos y mucho más. Puede que un entusiasta de la física lo lleve a la pantalla y podramos imaginar herramientas alucinantes en la próxima película futurista y espacial, pues su campo de uso es vasto.
