用電子辨別同位素

■只有一層原子厚的石墨烯,若是組成的原子是碳13而不是常見的碳12,人類有辦法進行量測嗎?

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).
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).

撰文|方程毅

同位素(Isotope):兩個原子具有相同原子序,不同中子數,但在週期表上被視為同一種元素。這個概念是由英國化學家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)提出,他也是1921年諾貝爾化學獎得主。同位素的應用不勝枚舉:碳14被用於鑑定年份、低濃U235可用於發電、高濃縮鈾甚至是原子彈的材料。

同位素的鑑定最常見方法是利用質譜儀測量荷質比,但質譜儀使用的取樣方法,目前仍有取樣面積/體積過大以致無法滿足小尺度分析的缺點。現今奈米科技如此發達,小尺度的量測是學界及業界發展的趨勢。因此如何在奈米、甚至原子尺度下鑑定同位素便是一個有趣的問題。位於奧地利的維也納大學(University of Vienna),發展出一套鑑定同位素的方法,解析度可以小至原子等級,其結果發表於《自然‧通訊》(Nature Communications)上。

石墨烯(Graphene)是單層石墨分子,二維材料,碳原子在平面以120°鍵結,形成六角形結構。自從蓋姆(Andre Geim)和諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)將其製備出來並獲得2010年諾貝爾物理獎之後,關於石墨烯的研究就席捲各大科學期刊,研究石墨稀就跟買到最新i-phone一樣潮。石墨烯只有一層原子厚,整體面積也很小,若是其組成原子包含碳12及多一個中子的碳13,奈米等級的材料,質量的差距小到質譜儀根本測不出來。

因此維也納大學Jani Kotakoski教授想到另一個辦法,使用掃描穿透式電子顯微鏡:STEM(Scanning transmission electron microscopy)。(我們曾在<即時影像觀測-穿透式電子顯微鏡的應用>一文中介紹穿透式電子顯微鏡的應用,有興趣的讀者不妨可以看看)。電子顯微鏡顧名思義就是利用電子取代光子進行成像,既然用電子成像就必須有電子源,以給予電子能量,讓電子束可以向光束一樣射到樣品表面,當電子能量不強時可以拿來成像,但如果電子能量夠強就有機會把樣品表面的原子打掉,產生原子空缺。碳12跟碳13因為質量不同,因此能夠將原子打飛的電子能量便不同,透過調整電子發射能量及觀測原子被打飛的機率便可以區別碳12及碳13。由於電子顯微鏡的解析度可以到原子等級,因此這項技術最大的優點是偵測小範圍,而其他傳統方法,例如質譜儀或拉曼散射都無法望其項背。

目前這項技術只成功用在石墨烯上,研究團隊認為偵測其他二維材料的同位素也不是問題。Jani Kotakoski教授表示:「現今電子顯微鏡技術已經能夠解析至原子等級,並且知道微小尺度下固態材料的化學組成,我們只是把同位素解析加進這個清單而已。」

另外值得一提的是,近年來學術界除了不斷突破極限,找尋新方法解決問題外,還興起了一股「開放」資料的浪潮。一個從事研究工作的人員,如果要接觸論文或研究資料,都必須付費給論文出版商,這被許多學者視為是阻礙科學進步的高牆,因此將已完成的研究資料免費讓人使用的風氣漸漸在學術界興起。這項研究計畫便是其一,研究人員將他們實驗過程中所拍出的電子顯微鏡影像全數公開(DOI: 10.6084/m9.figshare.c.3311946.v1 ),讓想加入這個領域的人能夠一起分享研究成果,這跟<材料界的Google,線上資料庫─Materials Project>一文所介紹的網站立意相同,當非商業用途的研究門檻被降低,便能吸引更多人才進入,加速科學研究甚至新科技的發展。

原始論文:Toma Susi et al, Isotope analysis in the transmission electron microscope, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms13040
電子顯微鏡影像:
Open data: Atomic resolution electron irradiation time series of isotopically labeled monolayer graphene: Toma Susi, Christoph Hofer, Giacomo Argentero, Gregor T. Leuthner, Timothy J. Pennycook, Clemens Mangler, Jannik C. Meyer & Jani Kotakoski. figshare (2016). DOI: 10.6084/m9.figshare.c.3311946.v1
參考資料:

  1. The Nobel Prize in Chemistry 1921
  2. "Weighing" atoms with electrons

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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