Химики проследили за диффузией изотопов углерода

Химикам из Японии удалось проследить за диффузией изотопов углерода ¹²C на листе графена, состоящего из изотопа ¹³С. Отличить один изотоп от другого помогла колебательная спектроскопия, а наблюдали за процессом химики с помощью электронной микроскопии. Исследование опубликовано в Nature.

Чтобы изучать поведение разных изотопов одного элемента, необходимо уметь регистрировать небольшую разницу в массах этих изотопов. И, несмотря на то, что существует много методов, позволяющих аналитически регистрировать изотопы (например, масс-спектрометрия), отличить один изотоп от другого, когда речь идет о нескольких атомах, очень трудно. Так, например, с помощью просвечивающего электронного микроскопа можно получать изображения электростатического потенциала отдельных атомов, но отличить один изотоп от другого нельзя, потому что небольшое изменение массы ядра не оказывает сильного эффекта на электронную структуру атома.

Один из доступных методов для определения изотопов — спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (EELS). Его суть заключается в том, что образец облучается электронами с известным набором кинетических энергий, а электронный спектрометр регистрирует потери в энергиях электронов от неупругих столкновений с образцом. Этот метод колебательной спектроскопии очень чувствителен, и его можно использовать в экспериментах одновременно с просвечивающей растровой электронной микроскопией (STEM).

Химики из Японии под руководством Ресукэ Cенга (Ryosuke Senga) предложили использовать эту комбинацию методов для наблюдения за отдельными изотопами углерода. Они приготовили два образца графена из двух изотопов углерода с массовыми числами 12 и 13 и проанализировали их темнопольные спектры потерь энергии электронами. Это было нужно, чтобы получить характеристические пики, и иметь возможность отличить один изотоп от другого в последующих экспериментах.
Затем ученые взяли образец графена (он состоял практически только из изотопа ¹³C), содержащий дефекты и трещины, и попробовали заполнить одну из таких трещин более легким изотопом углерода ¹²C. Они нагрели образец до 650 градусов Цельсия, одновременно облучая его электронами, чтобы получить микрофотографии. При такой температуре остаточные углеводороды в окружении образца разлагались, и получившиеся атомы углерода постепенно заполняли трещину. Через три минуты трещина полностью заполнилась примерно 400-ми атомами углерода. После этого температуру понизили до 500 градусов и записали колебательные электронные спектры. Анализ этих спектров позволил доказать, что трещина заполнилась именно атомами с массовым числом 12.

Далее, чтобы изучить процесс диффузии изотопов, ученые повторили аналогичный эксперимент, но в конце дополнительно нагревали образец при температуре 600 градусов Цельсия в течение двух часов. Данные колебательных спектров показали, что углерод-12 быстро распределился по образцу вследствие диффузии. По мнению ученых, она происходит за счет того, что разные изотопы углерода в шестичленных кольцах графена могут меняться друг с другом местами.

В результате авторам удалось впервые напрямую пронаблюдать процесс диффузии изотопов одного элемента. Они считают, что их метод поможет в создании изотопных меток и позволит изучать другие процессы на атомном уровне. Однако химики также отмечают, что метод нужно улучшать из-за низкого отношения сигнала к шуму в спектрах EELS.

О том, как работает электронный микроскоп, и как его можно сконструировать практически в домашних условиях, можно прочитать в нашей серии материалов.

Михаил Бойм