Vejning af atomer med elektroner

De forskellige grundstoffer, der findes i naturen, har hver deres særskilte isotoper. For kulstof, der er 99 atomer af den lettere stabile kulstofisotop 12C for hvert 13C-atom, som har en neutron mere i sin kerne. Bortset fra denne naturlige variation, materialer kan dyrkes fra isotopberigede kemikalier. Dette gør det muligt for forskere at studere, hvordan atomerne arrangeres i faste stoffer, for eksempel for at forbedre deres syntese. Endnu, de fleste traditionelle teknikker til at måle isotopforholdet kræver nedbrydning af materialet eller er begrænset til en opløsning på hundredvis af nanometer, slører vigtige detaljer.

I den nye undersøgelse, ledet af Jani Kotakoski, universitetet i Wien brugte det avancerede scanningstransmissionselektronmikroskop Nion UltraSTEM100 til at måle isotoper i nanometerstore områder af en grafenprøve. De samme energiske elektroner, der danner et billede af grafenstrukturen, kan også udstøde et atom ad gangen på grund af spredning ved en kulstofkerne. På grund af den større masse af 13C isotopen, en elektron kan give et 12C-atom et lidt hårdere spark, slår det lettere ud. Hvor mange elektroner der i gennemsnit kræves giver et skøn over den lokale isotopkoncentration. "Nøglen til at få dette til at fungere var at kombinere nøjagtige eksperimenter med en forbedret teoretisk model af processen", siger Toma Susi, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.

Udgiver i Naturkommunikation gav holdet mulighed for fuldt ud at omfavne åben videnskab. Ud over at frigive peer review-rapporterne ved siden af ​​artiklen, en omfattende beskrivelse af metoderne og analyserne er inkluderet. Imidlertid, forskerne gik et skridt videre og uploadede deres mikroskopidata til det åbne depot figshare. Alle med en internetforbindelse kan således frit få adgang til bruge og citere gigabytes af billeder i høj kvalitet. Toma Susi fortsætter:"Så vidt vi ved, det er første gang, at elektronmikroskopidata er blevet åbenlyst delt på denne skala."

Resultaterne viser, at elektronmikroskoper med atomopløsning kan skelne mellem forskellige isotoper af kulstof. Selvom metoden nu kun blev demonstreret for grafen, det kan i princippet udvides til andre todimensionelle materialer, og forskerne har et patent anmeldt på denne opfindelse. "Moderne mikroskoper giver os allerede mulighed for at opløse alle atomare afstande i faste stoffer og se, hvilke kemiske grundstoffer der udgør dem. Nu kan vi tilføje isotoper til listen", afslutter Jani Kotakoski.