На иллюстрации: Схема устройства для проведения детальных рентгеноструктурных исследований на одном атоме. Tolulope M. Ajayi et al. / Nature. Специалисты из США, Китая и Франции применили синхротронное излучение для анализа отдельных ионов железа и тербия, входящих в состав комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученым удалось зафиксировать электронные переходы данных атомов только при условии точного размещения тонкого металлического детектора непосредственно над атомами металлов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Синхротронное излучение обеспечивает проведение рентгеноструктурных исследований на микроскопических образцах, содержащих порядка $10^4$ атомов. При этом использование крайне тонкого металлического детектора для регистрации фотоэлектронов позволяет дополнительно повысить разрешение до уровня нескольких десятков атомов в образце.
Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов.
Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора.
Схема эксперимента с дальним (a) и близким (d) расположением детектора
Tolulope M. Ajayi et al. / Nature
В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа.
Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами.
Полученные в серии экспериментов с комплексом тербия зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе. Пики видны только при точном расположении детектора над ионами металла. Tolulope M. Ajayi et al. / Nature
Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет.
Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ).
Автор: Михаил Бойм
Источник: https://nplus1.ru/
