米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究部主任佐佐木刚]同系电子显微镜组首席研究员Kazutomo Suenaga和研究员Akinori Chiga是低加速电子显微镜轻元素具有逐个原子的精度。
迄今为止，锂一直被认为很难用电子显微镜观察。这次，我们将锂原子限制在微观空间中，并使用低加速电子显微镜对它们进行成像。电子能量损失谱 (EELS)进行元素分析，我们首次成功地可视化单个锂原子。此外，像锂一样，我们能够可视化氯、钠和氟的每个原子，这是用电子显微镜很难观察到的。
这项研究的成果是作为日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究促进项目和日本学术振兴会科学研究补助金的一部分进行的。自然通讯
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| 新开发方法的示意图（左）和锂的实际单原子图像（右） |
锂是在包括二次电池在内的各种工业产品中使用并发挥重要作用的元素之一，对其结构和行为的详细研究对于提高产品的性能至关重要。检查原子的方法有多种，但电子显微镜是理想的方法，因为它使我们能够直接了解原子的状态和行为。通常，电子显微镜用电子束照射样品，检测与样品中的原子碰撞时的散射电子等，并形成图像。然而，像锂这样的轻元素很难用电子显微镜“看到”。这是因为与其他重元素相比，与锂碰撞并散射的电子数量极少，因此很难获得清晰的图像。
轻元素的另一个主要问题是原子本身很容易被电子束排斥。因此，除非多个原子垂直排列在足够厚的晶体（原子柱）中，否则不可能使用传统电子显微镜观察轻元素（图1）。然而，在锂在经历化学反应的同时在物质之间移动的情况下，例如在二次电池中，锂不一定以有序的方式排列。为了研究这些“状态未知的原子”，需要技术来一一直接“看到”包括锂在内的每一种轻元素。
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| 图1 使用传统电子显微镜观察轻元素 |
到目前为止，AIST 一直致力于开发一种单原子精度的元素分析方法 (2009 年 7 月 6 日、2010 年 1 月 12 日、2010 年 12 月 16 日、2012 年 7 月 9 日 AIST 新闻稿）。它也由两种类型的元素组成原子链2014 年 9 月 16 日 AIST 新闻稿）。这次，我们结合了一系列这些技术来解决迄今为止被认为很困难的锂的单原子分析。
这项研究开发是JST战略性创造性研究推进项目“开发用于在原子水平上分析物质和生命的功能的低加速度电子显微镜”（2012-2012年度，研究代表：末永一友）和独立行政机构的合作，获得了日本学术振兴会科学研究资助金：青年科学家（B）“原子尺度评估和应用的基本技术开发”利用纳米空间的低维材料”（2014-2016财年，研究总监：Ryonori Chiga）。
低加速电子显微镜和 EELS 相结合来分析锂 (Li)、钠 (Na)、氟 (F) 和氯 (Cl) 的单个原子。这些元素具有很高的反应性，通常以与其他元素结合的化合物的形式存在。然而，当尝试使用电子显微镜观察化合物中的这些轻元素时，轻元素会被电子束排斥，并且化合物很容易被破坏。这次，作为屏蔽材料碳纳米管是啊富勒烯，我们捕获了轻元素和其中含有轻元素的化合物，以减少电子束的损害。此外，为了捕获单个原子，该化合物被细化至一排或两排原子的宽度。图2显示了碳纳米管内含有各种轻元素的原子链的传统电子显微镜图像（左）和使用新开发方法的电子显微镜图像（右）。将每个原子链的结构模型与电子显微镜图像进行比较，重元素清晰可见，呈亮点，而较轻原子的图像几乎不可见，因此很难判断它们是什么元素或是否存在。相比之下，当我们使用新开发的方法识别每个元素的图像及其位置，并将其与传统电子显微镜图像进行比较时，我们可以清楚地看到轻元素存在于较重的原子之间。
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图2 原子链中所含轻元素的可视化
Cs：铯，I：碘 |
新开发的方法不仅可以让我们识别轻元素的位置，还可以让我们了解每个原子的化学性质。例如，当我们比较不同状态下的锂的 EELS 获得的锂信号时（图 3），我们发现信号因结合伙伴的数量而异。这样，轻元素的化学状态（关于它们与哪些元素结合以及如何结合的信息）可以根据信号的形状和 EELS 获得的峰的位置来确定。到目前为止，主流过程是分析作为锂键合伙伴的另一个原子，并利用结果来推断锂的状态，但通过这种新方法，可以直接分析锂等轻元素的键合状态。因此，有可能比以前更详细地了解化学反应过程中锂的状态。
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| 图3 锂原子化学性质的差异 |
这次，我们使用了碳纳米管等屏蔽材料来减少电子束的损伤，但将来我们将开发一种在造成较小损伤的条件下的测量方法，目标是在没有屏蔽材料的情况下观察轻元素。这使得能够在化学反应过程中直接观察轻元素。