L'imaging a livello atomico è comparso negli anni 50 e fino al 2008 ha fatto rapidi progressi. In quell'anno i fisici hanno utilizzato con successo un microscopio elettronico per osservare un singolo atomo di idrogeno. Successivamente, cinque anni dopo, gli scienziati hanno utilizzato un "microscopio quantistico" per scrutare all'interno di un atomo di idrogeno, ottenendo la prima osservazione diretta degli orbitali degli elettroni. Recentemente, è stata ottenuta la prima immagine ai raggi X di un singolo atomo grazie a uno studio condotto dai ricercatori dell'Ohio University, dell'Argonne National Laboratory e dell'Università dell'Illinois-Chicago, come riportato su Nature.
Il coautore Saw-Wai Hla, fisico dell'Ohio University e dell'Argonne National Laboratory, ha affermato: "I microscopi a scansione di sonda possono fotografare gli atomi con regolarità, ma senza i raggi X non possiamo determinare la loro composizione. Ora siamo in grado di identificare con precisione il tipo di un singolo atomo e di misurare contemporaneamente il suo stato chimico. Questo ci consentirà di tracciare i materiali fino all'estremo limite di un solo atomo, con un notevole impatto sulle scienze ambientali e mediche".
Spesso, le persone non esperte nel campo della scienza immaginano un atomo come una versione semplificata del classico e criticato modello di Bohr, in cui gli elettroni orbitano intorno al nucleo atomico come pianeti che ruotano intorno al Sole nel nostro sistema solare. Secondo il modello di Bohr, le orbite degli elettroni hanno energie discrete correlate alle dimensioni delle orbite stesse: l'energia più bassa, o "stato fondamentale", è associata all'orbita più piccola. Quando un elettrone cambia velocità o direzione (secondo il modello di Bohr), emette radiazioni a frequenze specifiche associate agli orbitali.
Tuttavia, questo modello è stato superato nel corso del tempo, a partire dal 1913 quando Niels Bohr lo propose per la prima volta. La nostra comprensione del mondo quantistico ha portato all'evoluzione del modello atomico. Erwin Schroedinger propose un nuovo modello che si basava su livelli energetici anziché su orbitali. Nonostante questa differenza, il modello di Schroedinger mantiene alcuni concetti simili a quelli del modello di Bohr. Ad esempio, quando un atomo viene eccitato termicamente, i suoi elettroni si spostano verso livelli energetici più alti. Quando l'atomo si raffredda e ritorna allo stato fondamentale, l'energia in eccesso viene emessa sotto forma di fotoni, i quali presentano frequenze corrispondenti alla variazione dei livelli energetici.
È importante sottolineare che, tecnicamente, gli elettroni non "orbitano" intorno al nucleo in orbite fisse. Gli elettroni sono onde che appaiono come particelle quando si effettua una misurazione per determinarne la posizione. Queste onde sono stazionarie e la loro posizione non è definita fino a quando non viene osservata, momento in cui la funzione d'onda collassa. Pertanto, ogni volta che viene eseguita una misurazione, l'elettrone può apparire in una posizione diversa non perché si stia muovendo, ma a causa della sovrapposizione degli stati. Tuttavia, se si effettuano numerose misurazioni e si tracciano le posizioni degli elettroni, si ottiene un modello fantasma con un pattern di nuvola che si avvicina all'aspetto di un singolo atomo.
Come ha sottolineato Hla, i fisici sono ora in grado di immaginare gli atomi utilizzando microscopi a scansione di sonda. Questi microscopi funzionano facendo scorrere una punta molto affilata sulla superficie del campione e creando un'immagine della superficie in base al segnale rilevato dalla punta. In sostanza, è come se un giradischi leggesse i solchi di un disco per riprodurre il suono. La microscopia a effetto tunnel (STM) è stata la prima tecnica sviluppata, nel 1981, dai ricercatori IBM. Lo STM si basa sull'effetto del tunneling quantistico meccanico: quando la punta del microscopio scorre sulla superficie, gli elettroni si spostano dalla punta al campione. La corrente di tunneling viene misurata e trasformata in un'immagine. A titolo di curiosità, nel 1989 i ricercatori IBM utilizzarono lo STM per scrivere "IBM" utilizzando 35 atomi di xeno su un substrato di nichel.
Negli ultimi 12 anni, Hla ha lavorato allo sviluppo di una versione a raggi X dello STM chiamata microscopia a effetto tunnel a raggi X di sincrotrone (SX-STM). Questo metodo consentirebbe ai ricercatori di identificare il tipo di atomo e il suo stato chimico. Le tecniche di imaging a raggi X, come la radiazione di sincrotrone, sono ampiamente utilizzate in diverse discipline, tra cui l'arte e l'archeologia. Tuttavia, la quantità più piccola che può essere sottoposta a raggi X è di circa 10.000 atomi, chiamata attogrammo. Ciò è dovuto al fatto che l'emissione di raggi X da un singolo atomo è troppo debole per essere rilevata, almeno fino ad ora.
L'SX-STM combina la radiazione di sincrotrone tradizionale con il tunneling quantistico. In questa tecnica, il rivelatore convenzionale di raggi X utilizzato in molti esperimenti viene sostituito da una punta metallica affilata posizionata molto vicino al campione. La punta raccoglie gli elettroni che vengono eccitati dai raggi X e si muovono verso lo stato eccitato. Il fotoassorbimento degli elettroni fornisce un'impronta digitale elementare che consente di identificare il tipo di atomi presenti nel materiale. Il team di ricerca ha testato questa tecnica utilizzando la linea di fascio XTIP presso l'Advanced Photon Source di Argonne e ha lavorato con atomi di ferro e terbio inseriti in supramolecole che fungono da ospiti.
Ma non è tutto. Hla afferma: "Siamo anche stati in grado di rilevare gli stati chimici degli atomi singoli. Confrontando gli stati chimici di un atomo di ferro e un atomo di terbio all'interno dei loro rispettivi ospiti molecolari, abbiamo scoperto che l'atomo di terbio, un metallo delle terre rare, è piuttosto isolato e non cambia il suo stato chimico, mentre l'atomo di ferro interagisce fortemente con l'ambiente circostante". Inoltre, il team di ricerca di Hla ha sviluppato un'altra tecnica chiamata tunneling di risonanza eccitato dai raggi X (X-ERT), che consentirà di rilevare l'orientamento degli orbitali di una singola molecola sulla superficie di un materiale.