振动光谱学区分不同的扩散同位素

日本研究人员将化学家通过研究化学键振动来识别物质的能力推向了一个新的原子分辨率前沿。日本先进工业科学技术研究所(AIST)的Ryosuke Senga和他的同事们结合扫描透射电子显微镜(Stem)和振动光谱来区分生长中的石墨烯样品中不同碳同位素的原子。

Senga解释说:“这种方法可以在不破坏样品的情况下提供原子尺度的同位素图。”他补充说，这与质谱法形成对比，质谱法也可以高灵敏度地检测同位素，但只能测量每个样品一次。因此，Stem更适合于追踪“需要在同一位置进行多次测量的过程或反应”，Senga说。

传统的红外和拉曼光谱学利用光收集物质的信息，比如化学键振动的频率。这有助于识别结合在一起的原子。但是所用的光波长为800nm及以上，这限制了该方法的空间分辨率。每纳米可以容纳8个端到端的碳碳键。最近，研究人员已经将光谱学与原子力显微镜结合起来，Senga指出。这可以实现亚纳米分辨率，但显微镜探针尖端与样品相互作用的方式通常将这种方法的分辨率限制在5-10nm左右。“我们通过使用电子作为探针来克服这一限制，”Senga解释道。

日本研究人员使用了电子能量损失能谱(Eels)，它利用了Stem中使用的电子。“原子水平的振动光谱学是一个相对较新的领域，但它绝不是一种新技术，”解释说Demie Kepaptsoglou来自英国约克大学。Kepaptsoglou在英国达斯伯里的SuperSTEM设施的团队也在研究这种振动光谱学，但没有参与这项研究。她解释说，“近年来，由于先进单色仪的出现，这一领域发生了革命性的变化”Ondrej Krivanek在2020年获得了Kavli纳米科学奖．

在Eels中，电子单色器将显微镜下电子携带的能量限制在一个非常狭窄的范围内。科学家可以检测到电子与样品相互作用时能量的损失，损失由样品键的振动频率决定。先进的单色仪已经充分缩小了能量范围，以实现Stem提供的最高分辨率的光谱分析。然而，直到现在，还没有人兑现过原子分辨率的承诺。

裂解同位素鉴定

Senga和他的同事们研究了在硅纳米颗粒上生长的石墨烯薄片的裂缝。在硅作为催化剂的情况下，Stem中使用的电子可以在甲烷气体存在的情况下修复裂缝。为了展示Eels的原子分辨率，他们完全用碳13同位素制造了石墨烯，并用碳12甲烷修复。

Senga解释说，石墨烯键的振动在“碳13和碳12之间有轻微的变化，因此我们可以用不同的同位素组成来解析域”。这意味着他的团队可以分辨出连接裂缝的碳原子是来自甲烷气体的碳12，而不是来自石墨烯薄片的碳13。他们还发现碳最初以五角形、七角形和八角形成键，然后形成六角形。

Kepaptsoglou说:“这是一件美丽、优雅的作品，展示了分析电子显微镜的力量。”“就像目前大多数相关研究一样，在原理验证的规模上，这真的是令人印象深刻的显微镜。”随着这项技术的进一步成熟，人们可以想象未来的实验，用同位素作为标记来跟踪原子尺度上的物质动力学，比如相变和生长。她补充说，新的策略将主要适用于基础和基础研究，而不是应用研究。

虽然这项技术原则上可以用于任何元素，但实际上电子单色仪技术限制它只能用于比氧原子更小的原子。Senga解释说，这是因为更大的元素需要以更好的分辨率检测原子振动能量。他的团队的下一个目标是区分氢和氘同位素。