用电子辨别同位素

Researchers at the University of Vienna report a new way for "weighing" atoms by atomic-resolution imaging of graphene (Copyright: Koponen + Hildén; Creative Commons BY 4.0).

同位素(Isotope)：两个原子具有相同原子序，不同中子数，但在周期表上被视为同一种元素。这个概念是由英国化学家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)提出，他也是1921年诺贝尔化学奖得主。同位素的应用不胜枚举：碳14被用于鉴定年份、低浓U235可用于发电、高浓缩铀甚至是原子弹的材料。
同位素的鉴定最常见方法是利用质谱仪测量荷质比，但质谱仪只能测量块材且大范围，现今纳米科技如此发达，小尺度的量测是学界及业界发展的趋势。因此如何在纳米、甚至原子尺度下鉴定同位素便是一个有趣的问题。位于奥地利的维也纳大学(University of Vienna)，发展出一套鉴定同位素的方法，分辨率可以小至原子等级，其结果发表于《自然‧通讯》(Nature Communications)上。
石墨烯(Graphene)是单层石墨分子，二维材料，碳原子在平面以120°键结，形成六角形结构。自从盖姆(Andre Geim)和诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)将其制备出来并获得2010年诺贝尔物理奖之后，关于石墨烯的研究就席卷各大科学期刊，研究石墨稀就跟买到最新i-phone一样潮。石墨烯只有一层原子厚，整体面积也很小，若是其组成原子包含碳12及多一个中子的碳13，纳米等级的材料，质量的差距小到质谱仪根本测不出来。
因此维也纳大学Jani Kotakoski教授想到另一个办法，使用扫描穿透式电子显微镜：STEM(Scanning transmission electron microscopy)。(我们曾在<即时影像观测-穿透式电子显微镜的应用>一文中介绍穿透式电子显微镜的应用，有兴趣的读者不妨可以看看)。电子显微镜顾名思义就是利用电子取代光子进行成像，既然用电子成像就必须有电子源，以给予电子能量，让电子束可以向光束一样射到样品表面，当电子能量不强时可以拿来成像，但如果电子能量够强就有机会把样品表面的原子打掉，产生原子空缺。碳12跟碳13因为质量不同，因此能够将原子打飞的电子能量便不同，透过调整电子发射能量及观测原子被打飞的机率便可以区别碳12及碳13。由于电子显微镜的分辨率可以到原子等级，因此这项技术最大的优点是侦测小范围，而其他传统方法，例如质谱仪或拉曼散射都无法望其项背。
目前这项技术只成功用在石墨烯上，研究团队认为侦测其他二维材料的同位素也不是问题。Jani Kotakoski教授表示：“现今电子显微镜技术已经能够解析至原子等级，并且知道微小尺度下固态材料的化学组成，我们只是把同位素解析加进这个清单而已。”
另外值得一提的是，近年来学术界除了不断突破极限，找寻新方法解决问题外，还兴起了一股“开放”资料的浪潮。一个从事研究工作的人员，如果要接触论文或研究资料，都必须付费给论文出版商，这被许多学者视为是阻碍科学进步的高墙，因此将已完成的研究资料免费让人使用的风气渐渐在学术界兴起。这项研究计划便是其一，研究人员将他们实验过程中所拍出的电子显微镜影像全数公开(DOI: 10.6084/m9.figshare.c.3311946.v1 )，让想加入这个领域的人能够一起分享研究成果，这跟<材料界的Google，线上资料库─Materials Project>一文所介绍的网站立意相同，当非商业用途的研究门槛被降低，便能吸引更多人才进入，加速科学研究甚至新科技的发展。