Hier ist das erste X der Welt

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Seit Jahrzehnten gelingt es der Wissenschaft immer besser, einen Blick auf das bisher Unsichtbare zu werfen, indem sie die mikroskopische Welt der Atome – den Bausteinen aller Dinge – erfasst.

In einer neuen Arbeit haben Wissenschaftler der Ohio University, des Argonne National Laboratory und der University of Illinois-Chicago zum ersten Mal ein einzelnes Atom geröntgt.

Das Röntgen von Atomen wird Wissenschaftlern helfen, ihre chemischen Zustände besser zu verstehen, was zu Fortschritten in Medizin und Technologie führen könnte.

Alles besteht aus Atomen, daher ist es logisch, dass Wissenschaftler sie auf jede erdenkliche Weise abbilden möchten. Im Jahr 2008 bildeten Physiker beispielsweise ein Wasserstoffatom mit einem Elektronenmikroskop ab. Im Jahr 2013 konnten Wissenschaftler mithilfe eines Quantenmikroskops einen Blick auf die Elektronen eines Atoms werfen. Und im Jahr 2018 fotografierte ein Student der Universität Oxford sogar ein Atom mit einer im Laden gekauften Kamera.

Jetzt haben Wissenschaftler der Ohio University, des Argonne National Laboratory und der University of Illinois-Chicago das erste Atom geröntgt. Dies ist ein bahnbrechender Fortschritt, da das Verständnis eines Atoms in seiner kleinsten Form zu Fortschritten in der Medizin und den Umweltwissenschaften führen könnte.

Röntgenstrahlen eignen sich gut zur Untersuchung von Atomen, da ihre Wellenlängenverteilung die Größe eines Atoms nachahmt. Aber vor dieser Demonstration, die am Mittwoch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hatte das kleinstmögliche Röntgenlicht nur die Auflösung, um Bilder bis zur Größe eines Attogramms oder etwa 10.000 Atomen klar zu machen. Damals galt die Röntgenemission eines Atoms als zu schwach, um nachgewiesen zu werden. Aber das hat sich alles geändert.

„Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen“, sagte Saw Wai Hla von der Ohio University und Hauptautor in einer Erklärung. „Wir können jetzt genau die Art eines bestimmten Atoms erkennen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen.“

Bei der Demonstration verwendeten Hla und sein Team ein Eisenatom (Fe) und ein Terbiumatom (Tb), die beide in einem supramolekularen Wirt untergebracht sind, sowie eine komplexe Technik, die als Synchrotron-Röntgenrastertunnelmikroskopie (SX-STM) bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird eine scharfe Spitze über eine Oberfläche geführt und von der Spitze ein Bild erzeugt (ähnlich einer Schallplattennadel, die die Rillen einer Schallplatte liest, stellt Ars Technica fest).

Unter Ausnutzung eines Phänomens, das als „Quantentunneln“ bekannt ist – bei dem Quantenteilchen gelegentlich durch feste Objekte springen – tunneln die angeregten Kernatome zu dieser Spitze und bilden eine Art elementaren Fingerabdruck, der sowohl jedes einzelne vorhandene Atom als auch seinen chemischen Zustand identifiziert. Hla erklärt:

„Wir haben auch die chemischen Zustände einzelner Atome entdeckt. Durch den Vergleich der chemischen Zustände eines Eisenatoms und eines Terbiumatoms in jeweiligen molekularen Wirten stellen wir fest, dass das Terbiumatom, ein Seltenerdmetall, eher isoliert ist und dies nicht der Fall ist.“ seinen chemischen Zustand ändern, während das Eisenatom stark mit seiner Umgebung interagiert.“

Das Verständnis von Atomen und ihren chemischen Zuständen in ihrem grundlegendsten Zustand wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Materialien – wie die Seltenerdmetalle, die in fast jedem elektronischen Gerät vorkommen – besser zu manipulieren, um sie effizienter zu machen.

Während Wissenschaftler weiterhin Wege finden, das ganz Kleine abzubilden, entdecken sie gleichzeitig die ganz großen Auswirkungen dieser weltverändernden Durchbrüche.

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