登上Nature封面，128年来，世界首次！

实现单个原子的X射线检测！

自从1895年伦琴发现X射线以来，X射线检测技术在医疗和环境应用到材料科学被广泛使用，推动了各自领域的发展。X射线表征需要大量的原子，因此无法实现更为细致的表征。在二十世纪中期发明同步辐射X射线后，材料的X射线表征发生了革命性的变化。同步辐射光源的能力一直在不断升级，以提高分辨率和测量所需的最小样品量。然而，这种表征方式仍然是在≥10000个原子的范围内，实现更小的样品的表征仍然十分非常艰巨。如果X射线能够被用来检测一个原子，那么它将进一步将其应用革新到一个前所未有的水平。然而，由于一个原子产生的X射线信号极其微弱，以至于传统的X射线探测器无法实现探测。

近期，俄亥俄大学，阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla团队利用一种专门的尖端作为检测器，靠近被检测原子，实现了利用X射线表征仅仅一个原子的元素和化学状态。该团队选择了一个铁原子和一个铽原子作为验证，两者都插入了各自的分子宿主中。检测从一个铁原子和一个与有机配体协调的铽原子产生的X射线激发的电流。单个原子的指纹，即铁和铽的L2,3和M4,5吸收边缘信号，在X射线吸收光谱中可以清楚地观察到。只有当针尖直接位于极端接近的原子上方时，X射线信号才能被感应到，这证实了隧道制度中的原子局部检测。这项工作将同步辐射X射线与量子隧穿过程联系起来，并为未来的X射线实验开辟了在终极单原子极限下同步表征材料的元素和化学特性。该工作以题为“Characterization of just one atom using synchrotron X-rays”的文章发表于Nature上，并被选为封面论文。

为了检测一个原子的X射线信号，研究小组在X射线中补充了一个专门的检测器，该检测器由一个锋利的金属尖端制成，在极端接近样品的位置收集X射线激发电子，这种技术被称为同步辐射X射线扫描隧道显微镜（SX-STM）。SX-STM中的X射线光谱是由核心级电子的光吸收引发的，构成了元素的指纹，因此，SX-STM在直接识别材料的元素类型。并且，SX-STM不需要分别进行STM和X射线实验，而是可以在同一样品位置同时进行这两种测量。现阶段有两种SX-STM测量制度：隧道和远场。在隧道系统中，X射线激发的隧道过程是主要的，针尖被放置在样品上方的隧道范围内（约0.5纳米）。在远场系统中，针尖被定位在离样品约5纳米的距离，这超出了隧穿范围，只有X射线喷射出的电子对测量有贡献。

金属-配体复合物的结构

单个Fe原子的STM X射线光谱分析

通过比较一个铁原子和一个铽原子在各自分子宿主内的化学状态，他们发现作为一种稀土金属的铽原子，是相当孤立的，不改变其化学状态，而铁原子与它的周围配体有强烈的互动。通过这一结果证明，该方法不仅可以确定元素的类型，还可以确定其化学状态，这将使他们能够更好地操纵不同材料主机内部的原子，以满足各个领域不断变化的需求。

单个Tb原子的STM X射线光谱分析

单原子化学状态表征

小结：这项工作将同步辐射X射线与量子隧道过程联系起来，以检测单个原子的X射线特征，并开辟了许多令人兴奋的研究方向，包括利用同步辐射X射线对仅仅一个原子的量子和自旋（磁性）特性进行研究。该技术可以实现对材料的表征精细至一个原子的终极极限。这将对材料、环境和医学科学产生巨大的影响。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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