Verfolgung der Diffusion von Kohlenstoffisotopen mittels Schwingungsspektroskopie auf atomarer Ebene

Ein Forscherteam, das mit mehreren Institutionen in Japan verbunden ist, hat eine Technik entwickelt, um die Diffusion von Kohlenstoffisotopen mithilfe von Schwingungsspektroskopie im atomaren Maßstab zu verfolgen. In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturbeschreibt die Gruppe, wie sie die Isotopenbildgebung von in 13C-Graphen eingebetteten 12C-Kohlenstoffatomen zur Überwachung der Selbstdiffusion verwendet hat. Jordan Hachtel vom Oak Ridge National Laboratory hat in derselben Zeitschriftenausgabe einen Überblick über die jüngsten Forschungsarbeiten veröffentlicht, die Versuche zum Nachweis von Isotopen mit hoher räumlicher Auflösung und die Arbeit des Teams in Japan umfassen.

Wie Hachtel feststellt, werden Isotope in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, aber es ist immer noch schwierig, sie auf atomarer Ebene voneinander zu unterscheiden. Dazu muss man in der Lage sein, die Verhaltensunterschiede anhand ihrer Masse zu erkennen (Isotope desselben Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen, was die Masseunterschiede erklärt). Ein Transmissionsmikroskop kann verwendet werden, um Bilder des elektrostatischen Potentials einzelner Atome aufzunehmen, erlaubt jedoch nicht, Massenunterschiede zu erkennen. Außerdem umfasst die Elektronenenergieverlustspektroskopie die Bestrahlung von Proben mit Elektronen, um den Energieverlust aufgrund von Kollisionen innerhalb einer Probe zu messen – ein Ansatz, der Schwingungsspektroskopie beinhaltet. Bei dieser neuen Anstrengung verwendeten die Forscher beide Ansätze, um ihnen zu ermöglichen, einzelne Kohlenstoffisotope zu beobachten.

Ihre Arbeit umfasste die Vorbereitung von zwei Graphenproben, eine mit Atommassen von 12, die andere von 13. Jede wurde auf Dunkelfeld-Energieverlust gemessen, um die Peak-Eigenschaften zu ermitteln. Als nächstes versuchten die Forscher, Risse in einer der Proben mit Material aus der anderen zu füllen, indem sie die Proben auf 650 °C erhitzten und gleichzeitig Elektronen darauf abfeuerten. Dies führte zur Zersetzung der Kohlenwasserstoffe, die die Proben umgaben, wodurch der Riss gefüllt werden konnte. Als nächstes wurde die Temperatur auf 500°C abgesenkt, was die Messung der elektronischen Schwingungsspektren ermöglichte, um zu beweisen, dass der Riss gefüllt war. Das Team wiederholte dann die Übung, behielt aber die höhere Temperatur für weitere zwei Stunden bei. Anschließend führten sie eine Schwingungsspektralanalyse durch, um zu zeigen, dass die 12C-Kohlenstoffatome in der gesamten Probe verteilt waren, wodurch sie den Prozess der Diffusion der Isotope eines einzelnen Elements beobachten konnten.

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