De verschillende elementen die in de natuur worden aangetroffen, hebben elk hun verschillende isotopen. voor koolstof, er zijn 99 atomen van de lichtere stabiele koolstofisotoop 12C voor elk 13C-atoom, die nog een neutron in zijn kern heeft. Afgezien van deze natuurlijke variatie, materialen kunnen worden gekweekt uit met isotoop verrijkte chemicaliën. Hierdoor kunnen wetenschappers bestuderen hoe de atomen zich rangschikken tot vaste stoffen, bijvoorbeeld om hun synthese te verbeteren. Nog, de meeste traditionele technieken om de isotopenverhouding te meten vereisen de ontbinding van het materiaal of zijn beperkt tot een resolutie van honderden nanometers, belangrijke details verduisteren.

In de nieuwe studie onder leiding van Jani Kotakoski, de onderzoekers van de Universiteit van Wenen gebruikten de geavanceerde scanning-transmissie-elektronenmicroscoop Nion UltraSTEM100 om isotopen te meten in nanometergrote gebieden van een grafeenmonster. Dezelfde energetische elektronen die een beeld vormen van de grafeenstructuur kunnen ook één atoom tegelijk uitwerpen vanwege verstrooiing aan een koolstofkern. Vanwege de grotere massa van de 13C-isotoop, een elektron kan een 12C-atoom een ​​iets hardere kick geven, het er makkelijker uithalen. Hoeveel elektronen er gemiddeld nodig zijn, geeft een schatting van de lokale isotopenconcentratie. "De sleutel tot het maken van dit werk was het combineren van nauwkeurige experimenten met een verbeterd theoretisch model van het proces", zegt Toma Susi, de hoofdauteur van de studie.

Publiceren in Natuurcommunicatie stelde het team in staat open wetenschap volledig te omarmen. Naast het vrijgeven van de peer review-rapporten naast het artikel, een uitgebreide beschrijving van de methoden en analyses is opgenomen. Echter, de onderzoekers gingen nog een stap verder en uploadden hun microscopiegegevens naar de open repository figshare. Iedereen met een internetverbinding heeft dus vrij toegang tot, gebruik en citeer de gigabytes aan afbeeldingen van hoge kwaliteit. Toma Susi vervolgt:"Voor zover wij weten, dit is de eerste keer dat elektronenmicroscopiegegevens op deze schaal openlijk worden gedeeld."

De resultaten laten zien dat elektronenmicroscopen met atomaire resolutie onderscheid kunnen maken tussen verschillende isotopen van koolstof. Hoewel de methode nu alleen voor grafeen werd gedemonstreerd, het kan in principe worden uitgebreid voor andere tweedimensionale materialen, en de onderzoekers hebben een patent aangevraagd op deze uitvinding. "Met moderne microscopen kunnen we nu al alle atomaire afstanden in vaste stoffen oplossen en zien uit welke chemische elementen ze bestaan. Nu kunnen we isotopen aan de lijst toevoegen", Jani Kotakoski besluit.