Les différents éléments trouvés dans la nature ont chacun leurs isotopes distincts. Pour le carbone, il y a 99 atomes de l'isotope de carbone stable plus léger 12C pour chaque atome de 13C, qui a un neutron de plus dans son noyau. En dehors de cette variation naturelle, les matériaux peuvent être cultivés à partir de produits chimiques enrichis en isotopes. Cela permet aux scientifiques d'étudier comment les atomes s'arrangent en solides, par exemple pour améliorer leur synthèse. Encore, la plupart des techniques traditionnelles de mesure du rapport isotopique nécessitent la décomposition du matériau ou sont limitées à une résolution de quelques centaines de nanomètres, masquant des détails importants.

Dans la nouvelle étude, dirigé par Jani Kotakoski, les chercheurs de l'Université de Vienne ont utilisé le microscope électronique à transmission à balayage avancé Nion UltraSTEM100 pour mesurer les isotopes dans des zones de taille nanométrique d'un échantillon de graphène. Les mêmes électrons énergétiques qui forment une image de la structure du graphène peuvent également éjecter un atome à la fois en raison de la diffusion au niveau d'un noyau de carbone. En raison de la plus grande masse de l'isotope 13C, un électron peut donner un coup un peu plus dur à un atome de 12C, l'assommer plus facilement. Le nombre d'électrons nécessaires en moyenne donne une estimation de la concentration isotopique locale. "La clé pour faire ce travail était de combiner des expériences précises avec un modèle théorique amélioré du processus", dit Toma Susi, l'auteur principal de l'étude.

Publication dans Communication Nature a permis à l'équipe d'embrasser pleinement la science ouverte. En plus de publier les rapports d'examen par les pairs en même temps que l'article, une description complète des méthodes et des analyses est incluse. Cependant, les chercheurs sont allés encore plus loin et ont téléchargé leurs données de microscopie sur le référentiel ouvert figshare. Toute personne disposant d'une connexion Internet peut ainsi accéder librement, utiliser et citer les gigaoctets d'images de haute qualité. Toma Susi poursuit :« À notre connaissance, c'est la première fois que des données de microscopie électronique sont ouvertement partagées à cette échelle. »

Les résultats montrent que les microscopes électroniques à résolution atomique peuvent distinguer différents isotopes du carbone. Bien que la méthode n'ait été démontrée que pour le graphène, elle peut en principe être étendue à d'autres matériaux bidimensionnels, et les chercheurs ont un brevet en instance sur cette invention. "Les microscopes modernes nous permettent déjà de résoudre toutes les distances atomiques dans les solides et de voir quels éléments chimiques les composent. Maintenant, nous pouvons ajouter des isotopes à la liste", Jani Kotakoski conclut.