Ученые научились взвешивать атомы с помощью микроскопа

a. Изображение графенового образца, полученное с помощью ПРЭМ, с обозначенными на нем точечными областями, в которых производили измерение изотопного состава. b. Карта изотопного распределения (квадратами), полученная с помощью метода рамановской спектроскопии. c. Определение изотопного соотношения в образце по данным ПРЭМ для некоторых точек, обозначенных на рисунке a.

Toma Susi et al. / Nature Communications, 2016

Австрийские ученые разработали методику, позволяющую определять изотопное распределение химических элементов в материале с помощью метода просвечивающей растровой электронной микроскопии. К настоящему моменту авторы опробовали новый метод только на образцах графена, но в дальнейшем планируют применить его для исследования других двумерных объектов. Ученые утверждают, что, помимо удобства, разработанная ими методика позволяет достичь лучшего пространственного разрешения при изучении двумерных объектов по сравнению с другими методами. Работа опубликована в журнале Nature Communications, краткое описание статьи доступно на сайте Венского университета.

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) ультратонкий срез или пленка изучаемого вещества (до 0,1 микрометра толщиной) облучается пучком электронов определенной энергии. Расположенные за образцом различные детекторы собирают прошедший рассеянный пучок или электромагнитное излучение, которое возникает из-за взаимодействия электронов с образцом. Оснащенный несколькими детекторами ПЭМ позволяет не только строить изображение объекта, но и определять элементный состав образца, кристаллическую структуру, наличие дефектов и т.д.

Основным отличием растрового ПЭМ (ПРЭМ) от обычного просвечивающего электронного микроскопа является наличие очень точной системы фокусировки электронного пучка, которая позволяет «сжать» его в точку с размерами меньше ангстрема, что сопоставимо с радиусами отдельных атомов. Перемещая электронный пучок и сопоставляя данные детекторов с его положением, можно получить изображение изучаемого объекта с очень высокой точностью.

Авторы новой работы использовали возможности сверхточной фокусировки ПРЭМ для других целей: ученые смогли определить распределение изотопов углерода в образце графена. Для этого точечный электронный пучок фокусировали на отдельном атоме углерода и ждали, пока рассеянной электронами энергии не станет достаточно, чтобы выбить этот атом из образца. Изотопу углерода 12C требуется меньше энергии, чтобы «вылететь» из графенового листа, в отличие от более тяжелого 13C. Таким образом, по необходимому для «выбивания» атомов среднему количеству электронов можно определить изотопный состав образца и, одновременно с этим, «используя» те же самые электроны, построить изображение объекта.

Чтобы «откалибровать» прибор, ученые изготовили несколько образцов графена: первый из чистого углерода 12C , второй, состоящий полностью из тяжелого изотопа 13C, и еще один смешанного состава. После серии измерений на «чистых» графеновых листах авторы методами математической обработки определили средние количества и скорости электронов, необходимые для «выбивания» конкретного изотопа углерода. Свои вычисления ученые проверили методом рамановской спектроскопии, который также позволяет оценить изотопный состав по характерному виду спектров, однако с гораздо меньшим разрешением.

Авторы также провели сравнение нового метода с другими распространенными способами получения изображений пространственного распределения изотопов в образце. Так, некоторые виды масс-спектрометрии также позволяют извлечь подобную информацию. Для этого атомы из образца выбивают пучком ионов или испаряют лазером, а затем определяют их массу и заряд, пропуская пучок получившихся заряженных частиц через сложные магнитные системы и собирая данные об их пролете с помощью различных детекторов. Однако отделение сигналов 13C от, например, 12C1H в масс-спектрометрии является нетривиальной задачей. Еще один метод определения изотопного состава — атомно-зондовая томография — позволяет строить трехмерные поатомные изображения образца, но может работать только с объектами определенной формы.

Основы электронной микроскопии заложили немецкие инженеры Макс Кнолль и Эрнст Руска еще в 1931 году. Метод был создан на замену оптической микроскопии, которая не позволяла получать изображения объектов меньше определенного размера из-за так называемого барьера Аббе, обусловленного длиной волны света. В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия по физике.

Екатерина Митрофанова


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.