Phát hiện từng nguyên tử bằng kĩ thuật tia X

Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản là những người đầu tiên thành công trong việc phát hiện ra từng nguyên tử bằng kĩ thuật quang phổ học tia X. Mặc dù là một kĩ thuật khó, nhưng công trình trên là một bước quan trọng hướng đến việc sử dụng tia X để nghiên cứu và mô tả đặc trưng các cấu trúc và dụng cụ cỡ nano.

Nghiên cứu trước đây thuộc lĩnh vực này phần lớn tập trung vào sử dụng quang phổ học mất năng lượng electron (EELS) để phát hiện từng nguyên tử kim loại đất hiếm và các nguyên tử nhẹ như carbon. Tuy nhiên, EELS chỉ có thể áp dụng cho những nguyên tố nhất định do những chùm tia năng lượng cao sử dụng trong phương pháp này có thể làm hỏng mẫu nghiên cứu. Các kim loại trơ, ví dụ như vàng và platinum, cũng khó phát hiện với độ nhạy cao bằng kĩ thuật EELS –một trở ngại lớn khi dùng nghiên cứu các thiên thạch, cụm xúc tác hay thuốc kháng ung thư, nơi chỉ một lượng rất nhỏ kim loại trơ được khảo sát trong bất kì một mẫu cho trước.

Trong khi kĩ thuật quang phổ học tia X phân tán năng lượng (EDX) là một cách tốt để mô tả đặc trưng hóa học cho nhiều chất liệu đa dạng, thì các nhà nghiên cứu không thích sử dụng kĩ thuật này để phát hiện các nguyên tử độc thân do những khó khăn liên quan trong việc thu phổ phát quang tốt. Kazu Suenaga thuộc Trung tâm Nghiên cứu Ống nano tại AIST ở Tsukuba và các đồng sự tại JEOL Ltd ở Akishima và Đại học Kyushu ở Fukuoka hiện nay cho biết họ đã sử dụng thành công EDX để cảm nhận các nguyên tử ernium độc thân nhờ sự kích thích tiên tiến và thiết bị dò tìm.

Mỗi lồng fullerene (carbon-82) mang một nguyên tử erbium độc thân và được sắp thẳng hàng bên trong một ống nano. Erbium màu đỏ, carbon màu xám. (Ảnh: K Suenaga)

Quả đậu metallofullerene

Suenaga và các đồng sự đã nghiên cứu các quả đậu metallofullerene trong các thí nghiệm của họ và nhất là các quả đậu (Er@C82) – sở dĩ gọi tên như vậy vì các nguyên tử sắp thành hàng giống như các hạt đậu trong quả đậu. Mỗi quả đậu gồm một nguyên tử erbium độc thân bên trong một cái lồng carbon-82, ở trong một ống nano carbon. Ưu điểm của việc khảo sát một mẫu như vậy là cấu trúc đó có trật tự tốt, với mỗi nguyên tử kim loại cách láng giềng của nó khoảng 1 nm. Do đó, các nguyên tử có thể dễ dàng phân biệt bằng quang phổ tia X thu được.

Đội khoa học đã thu về những kết quả của họ bằng cách sử dụng một chùm electron tập trung tinh vi (xuống cỡ vài angstrom) để kích thích các nguyên tử Er độc thân trong một kính hiển vi điện tử để chúng phát ra các photon tia X. Một máy dò trôi giạt bằng silicon cỡ lớn (khoảng 100 mm²) mới được phát triển cũng được sử dụng để thu gom càng nhiều tia X từ mẫu càng tốt.

“Tia X thường được phát ra theo mọi hướng, nên một máy dò cỡ bình thường bỏ lỡ rất nhiều tia và chỉ thu gom được vài ba phần trăm,” Suenaga nói. “SSD cỡ lớn mới của chúng tôi tăng đáng kể hiệu suất thu gom – ít nhất là tăng vài lần,” ông nói.

“Việc có thể tiến hành kĩ thuật quang phổ học tia X trên các nguyên tử độc thân theo cách này sẽ hỗ trợ rất nhiều trong nghiên cứu quang học nano,” Suenaga nói.

Tham khảo: http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n8/full/nphoton.2012.148.html

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com