Vom "Wiegen" der Atome mit Elektronen

Die chemischen Eigenschaften von Atomen werden durch die Anzahl der Protonen in deren Kern bestimmt. Dementsprechend werden Atome im Periodensystem der Elemente angeordnet. Jedoch können selbst chemisch identische Atome eine unterschiedliche Masse aufweisen – diese Varianten nennt man Isotope. Obwohl Verfahren zur Messung solcher Massenunterschiede existieren, haben diese nicht deren exakte Position in einer Probe verraten. Im renommierten Open Access Journal "Nature Communications" veröffentlichen Physiker um Toma Susi von der Universität Wien nun eine Methode zum "Wiegen" von Atomen mittels hochaufgelöster bildgebender Verfahren an Graphen, der nur Ein-Atom-dicken Schicht von Kohlenstoff.

Die verschiedenen, natürlich vorkommenden chemischen Elemente haben jedes für sich ganz eigene, spezifische Isotope. Bei Kohlenstoff kommen auf jedes stabile Kohlenstoff-Isotop 13C neunundneunzig Atome des leichteren stabilen Kohlenstoff-Isotops 12C, 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 WissenschafterInnen zu untersuchen, wie sich Atome zu Festkörpern anordnen, um z.B. 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.

In ihrer neuen Studie unter der Leitung von Jani Kotakoski haben Forscher der Universität Wien das hochentwickelte Rastertransmissionselektronenmikroskop Nion UltraSTEM100 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 13C-Isotop eine größere Masse hat, kann ein Elektron einem 12C-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, Erstautor der Studie.

Die Publikation in Nature Communications ermöglichte es dem Team, der Idee von Open Science voll gerecht zu werden. Zusätzlich zur Veröffentlichung der Gutachten ihrer KollegInnen wurde neben ihrem eigentlichen Forschungsartikel eine umfangreiche Beschreibung der Methoden und Analysen beigefügt. Die Wissenschafter gingen sogar noch einen Schritt weiter und haben ihre mikroskopischen Daten auf den internetbasierten Speicherdienst figshare hochgeladen. JedeR mit einer Internetverbindung kann somit auf die Gigabyte an hochaufgelösten Bildern frei zugreifen, diese verwenden und zitieren. Toma Susi fährt fort: "Meines Wissens ist dies das erste Mal, dass elektronen-mikroskopische Daten auf dieser Skala offen geteilt werden."

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 Wissenschafter 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.

Finanzielle Unterstützung vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), dem Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF), und dem European Research Council (ERC) hat direkt zur Durchführung dieser Forschung beigetragen.

Literatur
[1] Isotope analysis in the transmission electron microscope: Toma Susi, Christoph Hofer, Giacomo Argentero, Gregor T. Leuthner, Timothy J. Pennycook, Clemens Mangler, Jannik C. Meyer & Jani Kotakoski. Nature Communications | 7:13040 |
DOI: 10.1038/ncomms13040.

[2] 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 (Open Access)