x射线有远见的

一些科学突破是如此深刻，以至于改变了我们所知道的人类知识和技术：1911年欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）的原子模型，1928年亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素，1978年维拉·鲁宾（Vera Rubin）对暗物质的观察。2023年，文理学院物理与天文系教授、阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla加入了这些值得关注的科学家的行列。他的成就吗?通过x射线探测单个原子的能力。

这一非凡的壮举——经过超过12年的努力——既是尖端技术的胜利，也是对未来的一瞥，在未来，对原子尺度的理解可以彻底改变工业，提高科学准确性，并以我们无法想象的方式改变生活。

Hla和他的物理学家和化学家团队，包括威廉希尔亚洲真人平台的博士候选人，于2023年首次在科学杂志《自然》上发表了他们非凡的发现。从那时起，他们成功的消息传遍了全世界的科学界，使俄亥俄大学成为关于人类创新能力的头条新闻的前沿和中心。

Hla同时也是俄亥俄大学纳米尺度和量子现象研究所的主任，他解释说：“我们现在可以准确地探测到一个特定原子的类型，一次一个原子，并同时测量它的化学状态。”“这一发现将改变世界。”

疾病护理革命

这一革命性进步对医学领域的潜在影响——包括诊断、个性化治疗和新药开发——怎么强调都不为过。

想象一下，如果癌症可以在最早期、最可治疗的阶段被发现，而不是通过侵入性的活组织检查，而是一次一个原子地检查病人细胞的小样本。目前的医学成像技术，如CT扫描和核磁共振成像，虽然非常宝贵，但无法提供在原子水平上观察样本组织所需的分辨率。从Hla的创新中开发的新技术可能会导致更快、更准确、更容易为全球患者使用的诊断和监测工具。

这一突破也可能导致药物开发的新时代。Hla解释说，有了对分子相互作用的原子水平的了解，制药研究人员可以开发出更有效地靶向疾病、副作用更少的药物。

可以想象，在个性化医疗的迅猛发展趋势中，也会出现类似的细粒度方法。有了这些工具，医生就可以从病人的症状背后窥探健康问题的基本要素，从而根据病人的分子构成开出量身定制的药物和疗法。

推动科学发现

通过x射线成像检测单个原子在医学以外的许多领域具有巨大的潜力。以前所未有的细节观察和理解原子结构的能力可能会导致下一代材料的创造，这些材料的特性我们还无法完全想象。例如，设计更坚固、更轻的材料可以推动航空航天、建筑和电子等行业的革命性进步。

根据Hla的说法，许多稀土材料用于日常设备，如手机和电脑，并且在创造和推进技术方面非常重要。因为他的发现使科学家能够识别元素的类型和化学状态，他们将能够更好地操纵组成不同材料的原子，以满足各个领域不断变化的需求。

似乎这还不够，Hla和他的团队还开发了一种解释分子中电子数据的新方法，这将对量子物理学领域产生巨大影响。这种在最基本的层面上研究物质行为的新途径将为从超导（高速列车和计算机芯片等研究的重要组成部分）到暗物质的奥秘等一切问题提供更深入的见解，为一些科学上最持久的问题提供新的视角。

“规模在科学中非常重要，因为它允许从宏观到纳米水平的比较分析，”该大学负责研究和创新活动的新任副校长Eric Muth说。“Hla博士的发现为科学工具箱提供了一个新的工具，可以利用x射线在单原子水平上研究尺度，为新的应用和发现打开了大门。”

看到不可见的

自从德国物理学家威廉·伦琴在1895年发现x射线以来，x射线成像已经司空见惯。从医疗检查到机场安检，它被广泛应用。就连美国宇航局的火星探测器“好奇号”也使用x射线设备了解到，火星上岩石的物质组成与夏威夷的火山土壤惊人地相似。

然而，直到最近，对材料的x射线分析一直局限于那些科学家可以获得大约十亿分之一克的十亿分之一的样本，相当于大约10,000个原子。这到底有多小？从一克开始，大约是一个回形针的重量。十亿分之一是一纳克，大约是人体中平均细胞的重量。除以10亿，就得到了1万个原子。换句话说：1万个氢原子的样本大约是这句话末尾句点的千分之一。可以肯定的是，这是非常微小的，然而这个限制在纳米技术领域提出了重大的挑战。

直到现在。

在过去的30多年里，Hla的大部分研究都是在物理学和纳米技术的交叉领域进行的，他专注于从基本层面（即原子层面）理解材料的化学和物理性质。在他的团队发现x射线之前，一种被称为扫描探针显微镜的工具可以通过扫描具有超细尖端的表面来“看到”单个原子，但即使是这种技术也有一个重大缺陷：它无法识别这些原子的组成。

x射线束无处不在，但自从1895年发现x射线以来，科学家们还不能用它来探测和分析一个原子。几十年来，科学家们一直梦想着能够做到这一点，”Hla说。“现在，我们可以了。”

他的突破取决于一种超灵敏x射线探测器的发展，加上先进的计算技术，可以分离和捕获材料的原子特征。Hla的工作之所以特别具有革命性，是因为它将x射线穿透物质的能力与识别和分辨单个原子存在的能力结合在一起——这是以前用这种方法从未实现过的。

突破性的成就

Hla因其革命性的方法而获得认可，被评为2024年物理科学年度落体墙科学突破奖得主。这一享有盛誉的荣誉表彰了他对科学和创新的开创性贡献。Hla还被远见研究所授予2024年费曼纳米技术奖，以表彰他在分子机器和分子纳米技术研究方面的持续贡献。他在过去十年中的五项成就被用于费曼奖的评选。

Hla说：“被全球顶尖科学家认可是一种难以置信的荣誉。”“这一认可反映了我在俄亥俄大学、阿贡国家实验室的团队的集体努力，以及我们从更广泛的科学界得到的支持。我很感激这种认可，并对我们工作的潜在影响感到兴奋。”

虽然Hla的发现的影响仍处于早期阶段，但他为未来的研究奠定的基础是变革性的。使用x射线探测单个原子的能力肯定会开启一系列新的研究途径和技术创新，为科学家提供新的方法来观察和操纵物质的组成部分，以寻求人类最紧迫问题的答案。

图片来源：Ben Wirtz Siegel， BSVC ' 02