BagusNews.com –
Sebuah tim ilmuwan dari Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago, dan lainnya, dipimpin oleh Profesor Fisika dari Ohio University dan ilmuwan dari Argonne National Laboratory, Saw Wai Hla, telah berhasil mengambil SINYAL (atau TANDA) sinar-X pertama di dunia dari hanya satu atom. Prestasi luar biasa ini didanai oleh Departemen Energi Amerika Serikat, Kantor Ilmu Energi Dasar, dan dapat merevolusi cara para ilmuwan mendeteksi bahan-bahan.
Sejak ditemukannya oleh Roentgen pada tahun 1895, sinar-X telah digunakan di mana-mana, mulai dari pemeriksaan medis hingga pemeriksaan keamanan di bandara. Bahkan Curiosity, rover Mars milik NASA, dilengkapi dengan perangkat sinar-X untuk memeriksa komposisi bahan batuan di Mars. Penggunaan penting sinar-X dalam ilmu pengetahuan adalah untuk mengidentifikasi jenis bahan dalam sampel. Selama bertahun-tahun, jumlah bahan dalam sampel yang diperlukan untuk deteksi sinar-X telah sangat berkurang berkat pengembangan sumber sinar-X sinkrotron dan instrumen baru. Saat ini, jumlah terkecil yang dapat dideteksi menggunakan sinar-X pada sebuah sampel adalah dalam satuan attogram, yang setara dengan sekitar 10.000 atom atau lebih. Hal ini disebabkan sinyal sinar-X yang dihasilkan oleh sebuah atom sangat lemah sehingga detektor sinar-X konvensional tidak dapat digunakan untuk mendeteksinya. Menurut Hla, menjadi impian para ilmuwan untuk dapat menggunakan sinar-X hanya pada satu atom, dan kini impian tersebut menjadi kenyataan melalui tim penelitian yang dipimpin olehnya.
“Atom dapat rutin diimaji dengan mikroskop pemindaian probe, tetapi tanpa sinar-X kita tidak dapat mengetahui dari apa mereka terbuat. Sekarang kita dapat mendeteksi tepat jenis atom tertentu, satu atom pada satu waktu, dan secara simultan dapat mengukur keadaan kimianya,” jelas Hla, yang juga merupakan direktur Nanoscale and Quantum Phenomena Institute di Ohio University. “Setelah kita dapat melakukannya, kita dapat melacak material hingga batas akhir hanya satu atom. Ini akan memiliki dampak besar pada ilmu lingkungan dan kedokteran, bahkan mungkin menemukan obat yang dapat memiliki dampak besar bagi umat manusia. Penemuan ini akan mengubah dunia.”
Mereka membuat sebuah paper yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah Nature pada tanggal 31 Mei 2023, dan terpampang di sampul versi cetak jurnal ilmiah pada tanggal 1 Juni 2023. Paper tersebut mendetail bagaimana Hla dan beberapa fisikawan dan kimiawan lainnya, termasuk mahasiswa Ph.D. di OHIO, menggunakan instrumen sinchrotron sinar-X yang dibuat khusus di jalur sinar-X XTIP di Advanced Photon Source dan Center for Nanoscale Materials di Argonne National Laboratory.
Untuk demonstrasi, tim ini memilih atom besi dan atom terbium, keduanya dimasukkan ke dalam host molekuler masing-masing. Untuk mendeteksi sinyal sinar-X dari satu atom, tim penelitian ini melengkapi detektor konvensional sinar-X dengan detektor khusus yang terbuat dari ujung logam tajam yang ditempatkan sangat dekat dengan sampel untuk mengumpulkan elektron terstimulasi sinar-X – sebuah teknik yang dikenal sebagai mikroskopi pemindaian terowongan sinar-X sinchrotron atau SX-STM. Spektroskopi sinar-X dalam SX-STM dipicu oleh penyerapan foto elektron level inti, yang merupakan sidik jari unsur dan efektif dalam mengidentifikasi jenis unsur dari bahan secara langsung.
Menurut Hla, spektrum-spektrum tersebut seperti sidik jari, masing-masing unik dan mampu mendeteksi dengan tepat apa yang ada.
“Teknik yang digunakan, dan konsep yang terbukti dalam penelitian ini, membuka babak baru dalam ilmu sinar-X dan studi nano-skala,” kata Tolulope Michael Ajayi, yang merupakan penulis utama makalah ini dan melakukan penelitian ini sebagai bagian dari tesis doktoralnya. “Lebih dari itu, menggunakan sinar-X untuk mendeteksi dan mengkarakterisasi atom-atom individu dapat merevolusi penelitian dan melahirkan teknologi baru di bidang informasi kuantum dan deteksi unsur-unsur jejak dalam penelitian lingkungan dan medis, untuk beberapa contoh. Prestasi ini juga membuka jalan bagi instrumen ilmu bahan canggih.”
Selama 12 tahun terakhir, Hla telah terlibat dalam pengembangan instrumen SX-STM dan metode pengukurannya bersama Volker Rose, seorang ilmuwan di Advanced Photon Source di Argonne National Laboratory.
“Saya berhasil membimbing empat mahasiswa pascasarjana OHIO untuk tesis Ph.D. mereka yang terkait dengan pengembangan metode SX-STM selama periode 12 tahun. Kami telah mencapai kemajuan yang signifikan dalam mendeteksi tanda tangan sinar-X dari satu atom,” kata Hla.
Studi Hla difokuskan pada ilmu nano dan kuantum dengan penekanan khusus pada pemahaman sifat kimia dan fisik material pada tingkat fundamental – pada tingkat atom individu. Selain mencapai tanda tangan sinar-X dari satu atom, tujuan utama tim ini adalah menggunakan teknik ini untuk menyelidiki efek lingkungan pada satu atom tanah jarang.
Hla menjelaskan, ‘Kami telah mendeteksi keadaan kimia dari atom-atom individual juga.’ Dengan membandingkan keadaan kimia dari atom besi dan atom terbium di dalam masing-masing pembawa molekul, kami menemukan bahwa atom terbium, logam tanah jarang, cenderung terisolasi dan tidak mengubah keadaan kimianya sedangkan atom besi berinteraksi secara kuat dengan lingkungannya.”
Banyak material tanah jarang digunakan dalam perangkat sehari-hari, seperti ponsel, komputer, dan televisi, untuk beberapa contoh, dan sangat penting dalam menciptakan dan mengembangkan teknologi. Melalui penemuan ini, para ilmuwan sekarang dapat mengidentifikasi tidak hanya jenis elemen tetapi juga keadaan kimianya, yang akan memungkinkan mereka untuk lebih baik memanipulasi atom-atom di dalam berbagai pembawa material untuk memenuhi kebutuhan yang terus berubah di berbagai bidang. Selain itu, mereka juga telah mengembangkan metode baru yang disebut “X-ray excited resonance tunneling atau X-ERT” yang memungkinkan mereka untuk mendeteksi bagaimana orbital sebuah molekul tunggal berorientasi pada permukaan material menggunakan sinchrotron X-ray.
Pencapaian ini menghubungkan sinchrotron X-ray dengan proses terowongan kuantum untuk mendeteksi tanda X-ray dari satu atom individu dan membuka banyak arah penelitian menarik, termasuk penelitian tentang sifat kuantum dan spin (magnetik) dari hanya satu atom menggunakan sinchrotron X-ray,” kata Hla.
Selain Ajayi, beberapa mahasiswa pascasarjana OHIO lainnya termasuk mahasiswa Ph.D. saat ini Sineth Premarathna dalam Fisika dan Xinyue Cheng dalam Kimia, serta alumni Ph.D. dalam Fisika Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas, dan Anh T. Ngo, yang saat ini merupakan Profesor Asosiasi Teknik Kimia di University of Illinois-Chicago, terlibat dalam penelitian ini. Pemegang Roenigk Chair dan Profesor Kimia Eric Masson dari College of Arts and Sciences merancang dan mensintesis molekul tanah jarang yang digunakan dalam studi ini.
Ke depannya, Hla dan tim penelitiannya akan terus menggunakan sinchrotron X-ray untuk mendeteksi sifat-sifat dari hanya satu atom dan mencari cara untuk lebih mengubah aplikasinya guna pengumpulan penelitian bahan kritis dan lainnya.