掌握“观察”的艺术。

掌握“观察”的艺术。

2023/03/15

掌握“观察”的艺术。 成功在原子水平上识别和可视化同位素

为了安全有效地使用纳米材料并提高其性能，必须详细了解其特性。迄今为止，由于纳米材料尺寸较小，只能测量一定量聚集体的平均值，并且可测量的样品也受到限制。 AIST 是2019年新研发的透射电子显微镜，与之前相比能够测量 10 nm 或更小范围内的纳米材料的物理特性，分辨率提高两个数量级此外，到2022年，透射电子显微镜将用于追踪各种物质、生物和化学反应的变化和分散过程。世界上首次成功在原子水平上识别“同位素”我做到了。遵循研究和开发流程。

用透射电子显微镜不可能检测同位素吗！？

　由于研究人员的好奇精神和技术的发展，微米和纳米世界逐渐变得可见。 20世纪30年代投入实用的电子显微镜原则上分辨率为01纳米(nm)以下，广泛应用于生物、物理、化学和工程学等多个领域。如今，使用高分辨率电子显微镜，可以观察原子级别大的物体。例如，高精度透射电子显微镜（TEM）现在可用于观察晶体中原子和缺陷的排列，并测量电子束穿过样品时损失的能量，以研究样品中所含元素和电子的状态。

　纳米材料研究部电子显微镜组的 Akinori Chiga 表示：“到目前为止，透射电子显微镜基本上用于观察原子并研究其结构。显微观察在纳米技术领域也至关重要，但其弱点之一是无法区分同一类型元素的‘同位素’。”

同位素是质子数相同但中子数不同的元素，其化学性质与原始原子几乎相同，仅质量数不同。

　人们认为，即使是分辨率足以揭示原子和分子结构的透射电子显微镜也无法区分同位素。透射电子显微镜图像反映了原子的带电状态，但不带电的中子数量没有反映在图像中，因此人们认为无法区分具有不同中子数量的同位素。

　这一直被认为是透射电子显微镜的根本局限性，但 Chiga 的研究小组成功开发了一种以高空间分辨率检测同位素元素的技术，通过使用技术来均衡发射电子的能量，并将单个中子的重量差异检测为原子振动能量的差异。2022/3/3 新闻稿文章）。其性能比现有使用激光或辐射的同位素检测技术高出一到两个数量级。

世界上首次测量石墨烯的“晶格振动”

　为什么可以使用透射电子显微镜进行同位素识别？

　已知晶体中的原子振动的被称为“晶格振动”的现象。准确测量晶格振动还可以验证纳米材料的热物理性质，这对于详细了解材料的性质至关重要。

　为了捕捉晶格振动，首先需要使用具有高能量和空间分辨率的装置，并获得足够的信号。关于能量分辨率，我们与电子显微镜制造商 JEOL Ltd 合作开发了某些特殊功能。我们开发了一种配备单色仪的低加速电子显微镜，只能提取特定波长的光，并且能够实现世界最高水平的能量分辨率。然而，空间分辨率和可测量信号量的提高仍然是个问题。”Senga 回忆道。

晶格振动本身已使用其他光谱方法进行测量。然而，使用传统方法可以测量的样品很大，范围从几微米（μm）到1毫米（mm），并且样品还必须具有一定的厚度。例如，作为一种新型纳米材料而受到关注的石墨烯的厚度只有约1纳米，即一个原子的厚度，因此无法测量其晶格振动。

　此外，所有相邻原子都是碳，而碳是一种非极性物质，这一事实成为分析石墨烯晶格振动的障碍。传统的光谱学无法测量非极性材料的晶格振动，例如石墨烯，石墨烯由所有相同的原子组成，并且电子排列没有偏差。

　然而，Chiga 的小组继续与维也纳大学、罗马萨皮恩扎大学 La Sapienza 和 JEOL 有限公司合作，使用配备单色仪的透射电子显微镜进行实验。

　我想以某种方式测量石墨烯等非极性材料的信号。在透射电子显微镜中，大多数情况下，照射的电子束直接向下传输，但在极少数情况下，当电子非常靠近原子核时，它会受到重力的吸引而弯曲并散射到远处。然而，通过反复的实验和计算，我们发现电子云和原子核之间存在着由晶格振动引起的电力。通过检测这种电力，我们现在已经能够检测振动本身的信号。”

　这项研究表明，无论相邻原子的极性如何，都可以测量任何材料的晶格振动。该研究成果于2019年8月发表在学术期刊《自然》上，获得了热烈反响。 (2019/08/13 新闻稿文章）

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　奇加等人。继续他们的研究，三年后，他们在《自然》杂志上发表了一篇题为“使用晶格振动测量技术识别同位素元素”的论文。

检测一个中子的重量差异作为振动能量的差异

　1897 年，首次使用平版摄影术观察到相同原子但质量不同的同位素。后来，人们发现这种质量差异是由于原子核中的中子数量造成的，并开发了各种测量方法。现在，只要有足够量的样品，就可以高精度地确定同位素特性。如今，同位素测量对于识别食物来源、估计化石年龄和分析生态系统至关重要，例如利用同一分子中同位素的比例因地区而异的事实。此外，同位素为理解化学反应过程中分子的运动提供了重要线索。然而，并不总是能够获得足够数量的样本。在分析艺术品或微小化石时，有必要从非常小的样品中检测少量同位素。此外，现有技术的分辨率一般为数十至数百纳米，难以分析01至10纳米尺寸的单个原子或单个分子。

　透射电子显微镜至今无法检测同位素的原因是，造成同位素之间质量差异的中子是不带电的物质。然而，随着对晶格振动的早期研究，使用透射电子显微镜观察所有材料的振动能量已经成为可能，并且可以将不带电中子的信息捕获为图像。特别是，具有重要意义的是，可以使用配备有单色仪的透射电子显微镜来检测单个中子的重量的差异作为振动能量的差异。如果我们知道中子的数量，我们就可以确定原子的质量并识别它的同位素。

　在晶格振动的观察中，我们已经证明，当电子与原子核碰撞时发生极大散射时，电子中存在着信息，并且通过选择性地利用这些信息可以实现高分辨率。 Senga 和他的同事决定将这种非常规方法应用于同位素检测。探测器特意放置在电子路径之外，从未被任何点击中，并收集信号。这是一种暗场方法，可以有效地对高度散射的电子进行光谱色散。大约在同一时间，几个研究小组报告了使用透射电子显微镜检测同位素的例子，但它们都使用明场方法，因此它们相对于现有的使用光或离子的同位素检测技术的优越性并不是那么大。暗场方法实现了 Chiga 等人预期的高空间分辨率，并成功使用透射电子显微镜检测到小至 1 到 4 个原子的同位素。

通过“现场观察”真实捕捉同位素如何交换位置

　这还不是全部。这项研究的开创性之处在于，现在无需分解样品就可以检测同位素。在常用的质谱分析方法中，样品被分解并测量，因此无法确定同位素原子的位置。

　到目前为止，同位素检测基本上就是了解一种物质中有多少同位素，换句话说，就是灵敏度。为了提高检测灵敏度，用鱼来比喻，你必须先将整个鱼体磨碎来制备样品。虽然灵敏度提高了，但已经不可能回到原来的状态了。也很难知道同位素在材料中的位置。但是，通过这种方法，我们可以在不破坏样品的情况下实时观察同位素在哪里以及它如何移动。

Senga 向我们展示了世界上第一张成功的石墨烯同位素填充裂纹并在透射电子显微镜内扩散的图像。一种碳同位素，约占地球碳的 11%¹³注意由C制成的石墨烯中的“裂纹”。当将样品的温度设置在650°C至700°C并用电子束照射裂纹时，石墨烯会生长以填充裂纹。垃圾填埋场中的碳原子是¹²我知道是C。

　通过使用通过颜色识别同位素质量差异的技术，可以识别裂纹区域中同位素质量的差异¹²我们还能够追踪碳的聚集以及碳原子在石墨烯内部交换位置时的运动。尽管过去已经在理论上提出了碳原子的这种运动，但这是第一次在电子显微镜下成功地以视觉方式证明它。

　关于填充石墨烯裂缝的原子从何而来也存在很多争论。电子显微镜内漂浮的气体（¹²C)为原料，石墨烯本身就出来了（这次¹³C) 和自我修复。没有人能证明这一点。然而，在这个实验中，谈到电子显微镜内的近真空世界，气体（¹²10499_10569

　利用显微镜直接实时观察化学反应过程的方法称为“原位观察”。

　例如，在生物学中，有研究利用同位素来追踪哪些细胞重组，以及在周转现象中哪些细胞如何被替换。在量子计算机开发和药物发现领域，也可以更详细地追踪原子的运动。我相信，建立一种利用透射电子显微镜原位观察同位素的方法将对这些领域的研究具有重大意义。“未来，它的应用很可能不仅扩展到纳米材料的开发，而且扩展到基础生物研究和药物发现研究等广泛领域。”

只有人类才能“对未知现象保持真诚”

作为一名研究人员，Chiga 的核心宗旨是“认真对待未知现象”的态度。即使你看到过一次现象，它可能只是巧合，也可能是可重现的。但现象的发生总有其原因、机制和条件。

　电子的行为中蕴藏着各种各样的信息。可以说，电子了解物质的一切。然而，人类只能利用其中的一小部分。我们的工作就是面对自然世界，并尝试从中提取尽可能多的信息。''

Senga 在大学博士课程中研究碳纳米管（CNT）。当时，他观察到一种奇怪的现象，碳纳米管会根据加热条件而膨胀或凹陷。

　“碳纳米管单次运动的景象不仅激发了我诚实地面对现象的科学好奇心，也对我作为科学家的基本态度产生了很大影响。最近，科学越来越关注人工智能。正因为如此，理论往往优先于实验。然而，当人工智能遇到未知现象时，不可能感到惊讶或思考该现象的意义。人类可能更擅长为自己的发现赋予意义。

　我期待着他们未来的研究，想知道他们接下来会使用透射电子显微镜看到什么。