여기 세계 최초의 X가 있습니다

Jun 11, 2023

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수십 년 동안 과학은 모든 것의 구성 요소인 원자의 미세한 세계를 포착함으로써 이전에는 보이지 않았던 것을 엿볼 수 있는 능력이 점점 더 향상되었습니다.

새로운 논문에서 오하이오 대학, 아르곤 국립 연구소, 일리노이 대학-시카고 대학의 과학자들은 처음으로 단일 원자를 엑스레이로 촬영했습니다.

X선 원자는 과학자들이 화학적 상태를 더 잘 이해하는 데 도움이 되며 이는 의학과 기술의 발전으로 이어질 수 있습니다.

원자는 모든 것을 구성하므로 과학자들이 상상할 수 있는 모든 방식으로 원자를 이미지화하고 싶어하는 것은 당연합니다. 예를 들어, 2008년에 물리학자들은 전자현미경을 사용하여 수소 원자의 이미지를 촬영했습니다. 2013년에 과학자들은 양자현미경을 사용하여 원자의 전자를 살짝 보았습니다. 그리고 2018년에는 옥스포드 대학의 한 학생이 상점에서 구입한 카메라를 사용하여 원자의 이미지를 촬영하기도 했습니다.

이제 오하이오 대학, 아르곤 국립 연구소, 일리노이 대학-시카고 대학의 과학자들이 첫 번째 원자를 엑스레이 촬영했습니다. 원자의 가장 작은 부분까지 이해하면 의학 및 환경 과학의 발전으로 이어질 수 있다는 점에서 이는 획기적인 발전입니다.

X-선은 파장 분포가 원자의 크기를 모방하기 때문에 원자를 조사하는 데 매우 적합합니다. 그러나 수요일 네이처(Nature) 저널에 발표된 이 시연 이전에는 가능한 가장 작은 X선으로는 아토그램 크기, 즉 약 10,000개의 원자까지 이미지를 선명하게 만드는 해상도만 있었습니다. 당시에는 원자의 X선 방출이 너무 약해서 감지할 수 없는 것으로 간주되었습니다. 하지만 모든 것이 바뀌었습니다.

오하이오 대학교와 수석 저자인 Saw Wai Hla는 성명에서 “원자는 주사 탐침 현미경으로 일상적으로 이미지를 얻을 수 있지만 X선이 없으면 원자가 무엇으로 만들어졌는지 알 수 없습니다.”라고 말했습니다. "이제 우리는 특정 원자의 유형을 한 번에 하나씩 정확하게 감지할 수 있으며 동시에 화학적 상태도 측정할 수 있습니다."

시연에서 Hla와 그의 팀은 초분자 호스트에 수용된 철(Fe) 원자와 테르븀(Tb) 원자와 싱크로트론 X선 스캐닝 터널링 현미경(SX-STM)으로 알려진 복잡한 기술을 사용했습니다. 이 프로세스는 날카로운 팁을 표면 위에 놓고 팁에서 이미지를 생성하는 방식으로 작동합니다(Ars Technica는 비닐 레코드의 홈을 읽는 레코드 바늘과 다르지 않음).

양자 입자가 때때로 고체 물체를 뛰어넘는 "양자 터널링"이라는 현상을 활용하여 여기된 핵심 원자가 이 끝으로 터널링되어 존재하는 각 개별 원자와 화학적 상태를 모두 식별하는 일종의 원소 지문을 형성합니다. Hla는 다음과 같이 설명합니다.

"우리는 개별 원자의 화학적 상태도 감지했습니다. 각 분자 호스트 내부의 철 원자와 테르븀 원자의 화학적 상태를 비교함으로써 희토류 금속인 테르븀 원자가 오히려 고립되어 있고, 철 원자는 주변과 강하게 상호작용하는 동안 화학적 상태를 변화시킵니다."

원자와 원자의 화학적 상태를 가장 근본적으로 이해하면 과학자들은 거의 모든 전자 장치에서 발견되는 희토류 금속과 같은 재료를 더 잘 조작하여 더 효율적으로 만들 수 있습니다.

과학자들은 아주 작은 것을 이미지화하는 방법을 계속해서 찾으면서 동시에 세상을 변화시키는 혁신이 갖는 매우 큰 의미를 발견하고 있습니다.

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