Ученые научились взвешивать атомы с помощью микроскопа

Ученые научились взвешивать атомы с помощью микроскопа

Австрийские ученые разработали методику, позволяющую определять изотопное распределение химических элементов в материале с помощью метода просвечивающей растровой электронной микроскопии. К настоящему моменту авторы опробовали новый метод только на образцах графена, но в дальнейшем планируют применить его для исследования других двумерных объектов. Ученые утверждают, что, помимо удобства, разработанная ими методика позволяет достичь лучшего пространственного разрешения при изучении двумерных объектов по сравнению с другими методами. Работа опубликована в журнале Nature Communications, краткое описание статьи доступно на сайте Венского университета.

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) ультратонкий срез или пленка изучаемого вещества (до 0,1 микрометра толщиной) облучается пучком электронов определенной энергии. Расположенные за образцом различные детекторы собирают прошедший рассеянный пучок или электромагнитное излучение, которое возникает из-за взаимодействия электронов с образцом. Оснащенный несколькими детекторами ПЭМ позволяет не только строить изображение объекта, но и определять элементный состав образца, кристаллическую структуру, наличие дефектов и т.д.

Основным отличием растрового ПЭМ (ПРЭМ) от обычного просвечивающего электронного микроскопа является наличие очень точной системы фокусировки электронного пучка, которая позволяет «сжать» его в точку с размерами меньше ангстрема, что сопоставимо с радиусами отдельных атомов. Перемещая электронный пучок и сопоставляя данные детекторов с его положением, можно получить изображение изучаемого объекта с очень высокой точностью.

Авторы новой работы использовали возможности сверхточной фокусировки ПРЭМ для других целей: ученые смогли определить распределение изотопов углерода в образце графена. Для этого точечный электронный пучок фокусировали на отдельном атоме углерода и ждали, пока рассеянной электронами энергии не станет достаточно, чтобы выбить этот атом из образца. Изотопу углерода 12C требуется меньше энергии, чтобы «вылететь» из графенового листа, в отличие от более тяжелого 13C. Таким образом, по необходимому для «выбивания» атомов среднему количеству электронов можно определить изотопный состав образца и, одновременно с этим, «используя» те же самые электроны, построить изображение объекта.

Чтобы «откалибровать» прибор, ученые изготовили несколько образцов графена: первый из чистого углерода 12C , второй, состоящий полностью из тяжелого изотопа 13C, и еще один смешанного состава. После серии измерений на «чистых» графеновых листах авторы методами математической обработки определили средние количества и скорости электронов, необходимые для «выбивания» конкретного изотопа углерода. Свои вычисления ученые проверили методом рамановской спектроскопии, который также позволяет оценить изотопный состав по характерному виду спектров, однако с гораздо меньшим разрешением.

Авторы также провели сравнение нового метода с другими распространенными способами получения изображений пространственного распределения изотопов в образце. Так, некоторые виды масс-спектрометрии также позволяют извлечь подобную информацию. Для этого атомы из образца выбивают пучком ионов или испаряют лазером, а затем определяют их массу и заряд, пропуская пучок получившихся заряженных частиц через сложные магнитные системы и собирая данные об их пролете с помощью различных детекторов. Однако отделение сигналов 13C от, например, 12C1H в масс-спектрометрии является нетривиальной задачей. Еще один метод определения изотопного состава — атомно-зондовая томография — позволяет строить трехмерные поатомные изображения образца, но может работать только с объектами определенной формы.

Основы электронной микроскопии заложили немецкие инженеры Макс Кнолль и Эрнст Руска еще в 1931 году. Метод был создан на замену оптической микроскопии, которая не позволяла получать изображения объектов меньше определенного размера из-за так называемого барьера Аббе, обусловленного длиной волны света. В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия по физике.

Екатерина Митрофанова

N+1

Похожие новости:
Ученые создали самое маленькое магнитное запоминающее устройство
Ученые из германского научного центра CFEL и специалисты IBM создали самое маленькое в мире магнитное запоминающее устройство - они смогли записать один байт на 96 атомах, в то время как для записи этого объема данных на современных жестких дисках требуется полмиллиарда атомов, говорится ..
2012-01-13 3320 0 Технология
0
Магнитную информацию записали в индивидуальную молекулу
Ученые показали, что благодаря использованию органической оболочки носителями магнитной информации могут быть индивидуальные атомы железа. Работа опубликована в журнале Nature Communication, ее краткое содержание приводится на сайте Технологического института в Карсшуле. Современные технологии записи на магнитные носители ..
2012-07-5 1267 0 Технология
0
В США изобрели саморасплавляющиеся электрические цепи
Ученые Технологического института Джорджии придумали метод, позволяющий создавать электрические цепи, которые расплавлялись бы через несколько часов работы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nanoscale, краткое изложение приводит портал Gizmodo. Авторы использовали электронный микроскоп, ..
2015-09-30 1398 0 Технология
-1
Инфракрасный свет научились превращать в видимый
Ученые разработали соединение, которое способно превращать свет в ближнем инфракрасном диапазоне в широкополосной белый свет. Изобретение предоставляет дешевый и эффективный способ получить видимый свет. О нем сообщается в журнале Science.Нильс Вильгельм Роземанн (Nils Wilhelm Rosemann) и его коллеги ..
2016-06-10 1560 0 Технология
0
Одноатомная «лупа» помогла увидеть отдельные связи в молекуле
Физики из Испании и Великобритании разработали методику заключения света в резонатор объемом всего в 1 кубический нанометр. Это помогло ученым изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле: резонатор усилил взаимодействия между колебаниями атомов и светом в миллион раз. По словам авторов, ..
2016-11-12 8680 0 Технология
0
Новый тип микроскопа работает на нейтронах
Исследователи из МИТ (Массачусетский технологический институт) в сотрудничестве с НАСА разработали принципиально новый микроскоп, который, для получения изображений высокой четкости, будет использовать нейтроны — субатомные частицы с нулевым зарядом — вместо пучка света или электронов. Помимо прочих преимуществ, ..
2013-10-6 1475 0 Технология
0
Физики создали самые холодные молекулы
Американские ученые создали самые холодные молекулы, охладив газ из натрия и калия (NaK) до 500 нанокельвинов. Об открытии сообщается в журнале Physical Review Letters, а коротко о нем рассказывает издание Live Science. Физики давно размышляют о том, как ведет себя материя при сверхнизких температурах. ..
2015-06-16 1666 0 Технология
1
В США научились выращивать репродуктивные органы
Американские ученые из Института регенеративной медицины научились выращивать искусственные пенисы. Они долгое время проводили опыты над кроликами, а теперь готовы поэкспериментировать с людьми, которые пережили операции, получили травму или родились с физическими недостатками, передает The Guardian. Ученые планируют провести ..
2014-10-06 2437 0 Технология
2
Японцы научились выбраковывать дефектные стволовые клетки
Ученые из Центра прикладных исследований индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток) Киотского университета (Kyoto University, Япония) под руководством нобелевского лауреата, профессора Синъи Яманаки (Shinya Yamanaka), нашла способ выбраковки дефектных стволовых клеток, из которых развивается раковая опухоль. Как сообщает ..
2013-11-19 1727 0 Технология
0
Российские физики впервые смешали свет на искусственном атоме
Группа ученых, в которую входят исследователи из МФТИ, впервые продемонстрировала эффект классического и квантового смешивания света на одиночном сверхпроводниковом кубите, выполняющем роль искусственного атома. Статья опубликована в Nature Communications.«Искусственный атом» — система, во многом похожая на обычный атом (поскольку обе эти системы ..
2017-11-19 3861 0 Технология
0
Швейцарские инженеры научились создавать изображения из бликов
Инженеры из Федеральной политехнической школы в Лозанне научились создавать изображения с помощью каустик - бликов, образующихся в результате отражения или преломления света на криволинейных поверхностях. Результаты работы были представлены на конференции, ее подробности приводятся на специальном сайте политехнической школы. Исходно авторы ..
2012-11-13 1458 0 Технология
0
Физики научились «гравировать» электрические цепи в кристаллах
Ученые из Университета штата Вашингтон научились с помощью лазерного луча создавать электрические цепи в кристалле титаната стронция. В этом им помог эффект устойчивой фотопроводимости, при которой сопротивление материала падает в сотни раз при облучении светом и остается низким в течение долгого времени. Получившиеся электропроводные цепи в металле ..
2017-08-02 27907 0 Технология
0
Ботаники научились оцифровывать растения
Биологи из Кембриджского Университета разработали метод, позволяющий распознавать и оцифровывать процесс роста и развития клеток растения в автоматическом режиме. Работа опубликована в журнале Nature Methods, с кратким описанием можно ознакомиться на сайте университета.Чтобы получить как можно больше точной информации ..
2012-04-7 1407 0 Технология
0
Физики впервые рассмотрели шестиугольную структуру льда на поверхности графита
Китайские физики впервые рассмотрели кристаллическую структуру двумерного слоя льда, который возникает на поверхности графита при температуре около 160 кельвинов. Для этого ученые численно рассчитали муаровый узор, который образует слой льда и слой графита, а потом сравнили ..
2019-03-10 1299 0 Технология
0
Наночастицы научились обманывать иммунную систему
Исследователи из университета Пенсильвании научились защищать предназначенные для доставки лекарств наночастицы от действия макрофагов, снабдив их соответствующим пептидом из системы распознавания «свой»-«чужой». Работа опубликована в журнале Science, а ее краткое содержание приводит ScienceNow. Для защиты наночастиц ученые использовали последовательность белка CD47, который содержится ..
2013-02-22 1681 0 Технология
0