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？
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：
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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。
