Хімікам з Японії вдалося простежити за дифузією ізотопів вуглецю 12C на аркуші графена, що складається з ізотопу 13С. Відрізнити один ізотоп від іншого допомогла коливальна спектроскопія, а спостерігали за процесом хіміки за допомогою електронної мікроскопії. Дослідження опубліковано в.
Щоб вивчати поведінку різних ізотопів одного елемента, необхідно вміти реєструвати невелику різницю в масах цих ізотопів. І, незважаючи на те, що існує багато методів, що дозволяють аналітично реєструвати ізотопи (наприклад, мас-спектрометрія), відрізнити один ізотоп від іншого, коли мова йде про кілька атом, дуже важко. Так, наприклад, за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа можна отримувати зображення електростатичного потенціалу окремих атомів, але відрізнити один ізотоп від іншого не можна, тому що невелика зміна маси ядра не надає сильного ефекту на електронну структуру атома.
Один з доступних методів для визначення ізотопів - спектроскопія характеристичних втрат енергії електронами (EELS). Його суть полягає в тому, що зразок опромінюється електронами з відомим набором кінетичних енергій, а електронний спектрометр реєструє втрати в енергіях електронів від неспокійних зіткнень зі зразком. Цей метод коливальної спектроскопії дуже чутливий, і його можна використовувати в експериментах одночасно з просвічуючою растровою електронною мікроскопією (STEM).
Хіміки з Японії під керівництвом Ресуке Сенга (Ryosuke Senga) запропонували використовувати цю комбінацію методів для спостереження за окремими ізотопами вуглецю. Вони приготували два зразки графена з двох ізотопів вуглецю з масовими числами 12 і 13 і проаналізували їх темнопольні спектри втрат енергії електронами. Це було потрібно, щоб отримати характеристичні піки, і мати можливість відрізнити один ізотоп від іншого в наступних експериментах. Потім вчені взяли зразок графена (він складався практично тільки з ізотопу 13C), що містить дефекти і тріщини, і спробували заповнити одну з таких тріщин більш легким ізотопом вуглецю 12C. Вони нагріли зразок до 650 градусів Цельсія, одночасно опромінюючи його електронами, щоб отримати мікрофотографії. При такій температурі залишкові вуглеводні в оточенні зразка розкладалися, і отримані атоми вуглецю поступово заповнювали тріщину. Через три хвилини тріщина повністю заповнилася приблизно 400-ми атомами вуглецю. Після цього температуру знизили до 500 градусів і записали коливальні електронні спектри. Аналіз цих спектрів дозволив довести, що тріщина заповнилася саме атомами з масовим числом 12.
Далі, щоб вивчити процес дифузії ізотопів, вчені повторили аналогічний експеримент, але в кінці додатково нагрівали зразок при температурі 600 градусів Цельсія протягом двох годин. Дані коливальних спектрів показали, що вуглець-12 швидко розподілився за зразком внаслідок дифузії. На думку вчених, вона відбувається за рахунок того, що різні ізотопи вуглецю в шестиченних кільцях графена можуть мінятися один з одним місцями.
В результаті авторам вдалося вперше безпосередньо поспостерігати процес дифузії ізотопів одного елемента. Вони вважають, що їхній метод допоможе у створенні ізотопних міток і дозволить вивчати інші процеси на атомному рівні. Однак хіміки також відзначають, що метод потрібно покращувати через низьке ставлення сигналу до шуму в спектрах EELS.
Про те, як працює електронний мікроскоп, і як його можна сконструювати практично в домашніх умовах, можна прочитати в нашій серії матеріалів.