Вчені навчилися зважувати атоми за допомогою мікроскопа

Австрійські вчені розробили методику, що дозволяє визначати ізотопний розподіл хімічних елементів у матеріалі за допомогою методу просвічувальної растрової електронної мікроскопії. До теперішнього моменту автори випробували новий метод тільки на зразках графена, але надалі планують застосувати його для дослідження інших почесних об'єктів. Вчені стверджують, що, крім зручності, розроблена ними методика дозволяє досягти кращого просторового дозволу при вивченні почесних об'єктів порівняно з іншими методами. Робота опублікована в журналі, короткий опис статті доступний на сайті Віденського університету.

У просвічуючому електронному мікроскопі (ПЕМ) ультратонкий зріз або плівка речовини (до 0,1 мікрометра товщиною) опромінюється пучком електронів певної енергії. Розташовані за зразком різні детектори збирають минулий розсіяний пучок або електромагнітне випромінювання, яке виникає через взаємодію електронів зі зразком. Оснащений кількома детекторами ПЕМ дозволяє не тільки будувати зображення об'єкта, а й визначати елементний склад зразка, кристалічну структуру, наявність дефектів тощо.

Основною відмінністю растрового ПЕМ (ПРЕМ) від звичайного просвічуючого електронного мікроскопа є наявність дуже точної системи фокусування електронного пучка, яка дозволяє «стиснути» його в точку з розмірами менше ангстрема, що можна порівняти з радіусами окремих атомів. Переміщуючи електронний пучок і зіставляючи дані детекторів з його положенням, можна отримати зображення об'єкта з дуже високою точністю.

Автори нової роботи використовували можливості надточного фокусування ПРЕМ для інших цілей: вчені змогли визначити розподіл ізотопів вуглецю в зразку графена. Для цього точковий електронний пучок фокусували на окремому атомі вуглецю і чекали, поки розсіяної електронами енергії не стане достатньо, щоб вибити цей атом зі зразка. Ізотопу вуглецю ¹²C потрібно менше енергії, щоб «вилетіти» з графенового листа, на відміну від більш важкого ¹³C. Таким чином, за необхідною для «вибивання» атомів середньою кількістю електронів можна визначити ізотопний склад зразка і, одночасно з цим, «використовуючи» ті ж самі електрони, побудувати зображення об'єкта.

Щоб «відкалібрувати» прилад, вчені виготовили кілька зразків графена: перший з чистого вуглецю ¹²C, другий, що складається повністю з важкого ізотопу 1^3C, і ще один змішаного складу. Після серії вимірювань на «чистих» графенових аркушах автори методами математичної обробки визначили середні кількості і швидкості електронів, необхідні для «вибивання» конкретного ізотопу вуглецю. Свої обчислення вчені перевірили методом раманівської спектроскопії, який також дозволяє оцінити ізотопний склад за характерним видом спектрів, проте з набагато меншою роздільною здатністю.

Автори також провели порівняння нового методу з іншими поширеними способами отримання зображень просторового розподілу ізотопів у зразку. Так, деякі види мас-спектрометрії також дозволяють отримати подібну інформацію. Для цього атоми зі зразка вибивають пучком іонів або випаровують лазером, а потім визначають їх масу і заряд, пропускаючи пучок отриманих заряджених частинок через складні магнітні системи і збираючи дані про їх проліт за допомогою різних детекторів. Однак відділення сигналів ¹³C від, наприклад, ¹²C¹H в мас-спектрометрії є нетривіальним завданням. Ще один метод визначення ізотопного складу - атомно-зондова томографія - дозволяє будувати тривимірні поатомні зображення зразка, але може працювати тільки з об'єктами певної форми.

Основи електронної мікроскопії заклали німецькі інженери Макс Кнолль і Ернст Руска ще в 1931 році. Метод був створений на заміну оптичної мікроскопії, яка не дозволяла отримувати зображення об'єктів менше певного розміру через так званий бар'єр Аббе, обумовлений довжиною хвилі світла. У 1986 році Ернсту Руске за створення ПЕМ була присуджена Нобелівська премія з фізики.