作为 JST 解决问题基础研究的一部分，米乐m6官方网站高级研究员 Kazutomo Suenaga 和他的同事使用了电子显微镜石墨烯注1)中每个碳原子的电子态，并通过实验阐明，即使是相同的碳原子，也会根据其位置的不同而具有不同的特性。
利用传统的分析方法，可以识别单个原子的元素，但无法详细研究同一元素的每个原子的电子态和性质的差异。例如，精确控制化学反应以及设计和开发纳米器件以区分反应性较高的碳原子和反应性较低的碳原子（即使在同一碳原子内）也是极其重要的。因此，人们希望开发能够研究此类原子性质的技术。
该研究小组利用JST CREST项目开发的世界最高灵敏度的新型电子显微镜仔细观察由碳原子构成的石墨烯，并在世界上首次证实，即使碳原子相同，石墨烯边缘的碳原子也具有与正常碳原子显着不同的电子状态。这些结果表明，当石墨烯用作电子器件时，石墨烯边缘存在的碳原子的性质具有重大影响。
该方法的发展使得在原子水平上详细识别材料中的反应位点成为可能，并有望在未来纳米器件的开发和新材料合成的设计中发挥作用。
该研究成果于2010年12月15日（英国时间）发表在英国科学杂志《
自然。
该成果是通过以下项目、研究领域和研究课题获得的。
战略性创意研究推进项目团队型研究（CREST）
研究领域：“有助于物质现象的阐明和应用的新测量和分析基础技术”
（研究主管：田中道吉，东北大学名誉教授）
研究标题：“开发低加速、高灵敏度电子显微镜，能够在分子和原子水平上观察软物质”
研究总监：Kazutomo Suenaga（米乐m6官方网站纳米管应用研究中心高级研究员）
研究期间：2006年10月至2012年3月
在这一领域，JST旨在探索作为物质和材料相关科学技术发展驱动力的新原理，并创造有助于发现和阐明新现象的新测量和分析的基础技术。在上述研究项目中，我们正在开发一种以低加速度电子显微镜和新像差校正技术为中心的电子显微镜，以便能够使用电子显微镜观察有机分子和生物分子等“由轻元素构成的非周期材料（软物质）”，这在以前是不可能的。
即使纳米材料中所含元素相同，其性质也可能与普通元素有很大差异。这是因为纳米技术中使用的材料非常小，其特性由存在于其边缘和表面的特殊状态的原子控制。因此，人们希望开发一种方法，通过逐个检查具有不寻常特性（电子态）的每个原子来预测和验证纳米器件的功能。
该研究小组一直在进行研究，以利用新型电子显微镜实现单个原子的可视化和元素分析。然而，虽然可以识别元素的类型，但没有人能够区分同一元素但具有不同性质的原子。这是因为在进行详细的原子光谱分析时不可能获得足够高的分辨率和灵敏度。
因此，识别单个原子并确定其性质一直是纳米技术发展的关键。
该研究小组开发了世界上最灵敏的电子显微镜，并用它详细研究了石墨烯的结构。因此，石墨烯边缘的原子具有与普通碳原子完全不同的特性。电子束能量损失光谱注2)的结果可以清楚地看出这是我们在世界上首次成功利用电子束能量损失光谱研究原子的详细电子态。
石墨烯中的碳原子具有六方网状结构，因此通常与三个相邻的碳原子键合。然而，即使石墨烯边缘存在相同的碳原子，相邻碳原子的数量也可能是两个，有时甚至只有一个（图1）。因此，此类碳原子具有不寻常的性质（电子态）。通过使用电子束能量损失光谱观察光谱的精细结构，甚至可以详细研究同一元素的性质差异。然而，到目前为止，这种方法一直用于批量（许多碳原子），并且还无法测量单个碳原子的精细结构。
该研究小组将其开发为 JST CREST 项目的一部分球面像差注3)和五阶几何像差注4)此外，通过将电子束的加速电压保持在较低水平（本例中为60 kV（千伏）），我们成功地抑制了分析过程中原子消失的现象（样品损坏）（图2和图3）。
我们成功地对石墨烯边缘的每个碳原子进行了电子束能量损失谱，发现1）边缘的碳原子具有与正常碳原子不同的电子态，2）边缘的碳原子有两种不同性质的碳原子，3）边缘的碳原子的状态影响7或8个原子外的碳原子。
该实验的结果表明，当石墨烯用作电子器件时，边缘的碳原子有很大的影响。相反，利用边缘碳原子的独特性质，也有可能制造出具有新功能的石墨烯器件。
而且，该方法可以广泛应用。目标元素不限于碳原子。例如，掺杂硅和非晶硅含有具有各种特性的硅原子混合物，是太阳能发电的重要材料，但目前还无法在原子水平上研究硅原子具有哪些有助于光电转换的特性。特别是，如果我们能够阐明对光电转换有很大贡献的硅的电子态，我们将能够为开发更高效的器件提供指导。此外，通过识别过渡金属等催化反应中的反应性和非反应性原子，我们将能够详细了解反应机理并设计更有效的反应。
此外，可以从原子水平上分析对环境影响较大的有毒金属元素。例如，环境污染物六价铬和七价锰等有毒金属会改变其氧化数，成为氧化数较低的更无害的金属。使用这种方法，我们可以监测每个原子的毒性，并且人们认为它将有助于详细研究对生物和人体的化学反应性。
有机合成通常利用碳的反应性来产生具有全新特性的有用化合物。福井健一博士和罗尔德霍夫曼博士凭借前沿分子轨道理论获得了诺贝尔化学奖，该理论证明可以从理论上预测有机分子中哪些原子部分最有可能发生反应。如果我们使用这里展示的分析技术，让我们能够了解每个原子的身份，那么无需使用理论计算就可以直接测量原子的反应位置不是梦想。例如，如果能够直接观察难以进行理论计算的大分子系统中的反应，则可能用于大型蛋白质的合成和新药物的设计。