Atome mit Elektronen wiegen
Mit einem Elektronenmikroskop lässt sich die lokale Isotopenverteilung in Graphen bestimmen.
Bei Kohlenstoff kommen auf jedes stabile Kohlenstoff-Isotop C-13 neunundneunzig Atome des leichteren stabilen Kohlenstoff-Isotops C-12, welches ein Neutron weniger im Kern aufweist. Abgesehen von diesen natürlichen Variationen kann Materie aus mit Isotopen angereicherten chemischen Stoffen gezüchtet werden. Das ermöglicht den Wissenschaftlern zu untersuchen, wie sich Atome zu Festkörpern anordnen, um etwa ihre Synthese zu verbessern. Die meisten traditionellen Methoden zur Messung der Isotopenanteile erfordern jedoch die Zerstörung einer größeren Menge der Probe oder sind auf eine Auflösung von hunderten Nanometer beschränkt, wodurch wichtige Details verschleiert bleiben.
Abb.: Dieselben energetischen Elektronen, die mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop ein Bild der Graphenstruktur entstehen lassen, können auch je ein Atom herausschlagen, indem sie am Kohlenstoffkern abgelenkt werden.. (Bild: T. Susi et al. / U Wien)
In ihrer neuen Studie unter der Leitung von Jani Kotakoski haben Forscher der Universität Wien ein hochentwickelte Rastertransmissionselektronenmikroskop eingesetzt, um Isotope auf Nanometer kleinen Flächen einer Graphen-Probe zu messen. Dieselben energetischen Elektronen, die ein Bild der Graphenstruktur entstehen lassen, können auch je ein Atom herausschlagen, indem sie am Kohlenstoffkern abgelenkt werden. Da das C-13-Isotop eine größere Masse hat, kann ein Elektron einem C-12-Atom einen geringfügig kräftigeren Stoß versetzen und es so einfacher herausschlagen. Wie viele Elektronen im Durchschnitt dafür nötig sind, lässt die lokale Isotopenkonzentration abschätzen. „Der Schlüssel zum Erfolg war die Kombination präziser Experimente mit einem verbesserten theoretischen Modell des Prozesses“, so Toma Susi.
Die Ergebnisse zeigen, dass moderne hochaufgelöste Elektronenmikroskope zwischen verschiedenen Kohlenstoff-Isotopen unterscheiden können. Obwohl diese Methode soweit nur für Graphen demonstriert wurde, ist es prinzipiell möglich, sie auf andere zweidimensionale Materialien auszuweiten. Dazu haben die Wissenschaftler eine Patentanmeldung auf die neue Methode eingereicht. „Moderne Mikroskope erlauben uns schon jetzt alle atomaren Abstände in Festkörpern aufzulösen und zu sehen, aus welchen chemischen Elementen diese bestehen. Nun können wir Isotope zu dieser Liste hinzufügen“, fasst Jani Kotakoski abschließend zusammen.
U Wien / JOL
