Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) is een van de meest gevoelige en informatieve technieken voor oppervlakteanalyse die beschikbaar zijn. Echter, XPS vereist een hoog vacuüm om te werken, wat het analyseren van materialen in vloeibare en gasvormige omgevingen moeilijk maakt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), ELETTRA (Italië) en de Technische Universiteit van München (Duitsland) hebben ontdekt dat grafeen - een enkel atoom dik vel koolstof - het gebruik van XPS om materialen in deze omgevingen te bestuderen veel goedkoper en gecompliceerder kan maken dan de conventionele benadering. Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal .

Onderzoekers hebben cellen en micro-organismen geanalyseerd met behulp van zichtbaar licht, die, terwijl informatief en zachtaardig, kan niet worden gebruikt om objecten te onderzoeken die veel kleiner zijn dan ongeveer 500 nanometer. Maar veel van de belangrijkste processen en interacties van het leven vinden plaats op veel kleinere lengteschalen. Hetzelfde geldt voor batterijen:alles wat ermee mis kan gaan, vindt plaats op de kleine grensvlakken tussen de elektroden en de elektrolyt - ver buiten het bereik van optische microscopen.

Veel onderzoekers zouden röntgenstralen of elektronen willen gebruiken om dieper in deze materialen te kijken, maar weinig laboratoria beschikken over de geavanceerde apparatuur die daarvoor nodig is, en die laboratoria die zo uitgerust zijn, zijn vaak te duur voor de prijsbewuste wetenschappers van vandaag.

XPS werkt door het te bestuderen oppervlak te bombarderen met röntgenstralen. De atomen op het oppervlak van het materiaal absorberen de röntgenstraling en zenden die energie opnieuw uit als foto-elektronen. Wetenschappers bestuderen de kinetische energie en het aantal uitgezonden elektronen voor aanwijzingen over de samenstelling en elektronische toestand van het monster.

Omdat röntgenstralen en foto-elektronen een wisselwerking hebben met de lucht, XPS moet worden uitgevoerd onder hoog vacuüm, wat het moeilijk maakt om materialen te bestuderen die zich in een onder druk staande omgeving moeten bevinden. Wat onderzoekers nodig hadden, was raammateriaal dat bijna transparant was voor röntgenstralen en foto-elektronen, maar ondoordringbaar voor gassen en vloeistoffen en sterk genoeg om de mechanische belasting van een druk van één atmosfeer te weerstaan.

Wetende dat grafeen, het wondermateriaal van de 21e eeuw, heeft deze eigenschappen, de groep onderzocht het als een venster om het vloeistofcompartiment met atmosferische druk van hun monsterstadium te scheiden van de hoogvacuümomstandigheden in de elektronenspectrometer.

Volgens NIST-onderzoeker Andrei Kolmakov, hun resultaten tonen aan dat meer dan genoeg röntgenstralen - en de resulterende foto-elektronen - door het grafeenvenster kunnen gaan om XPS-gegevens van goede kwaliteit te produceren van vloeistoffen en gassen.

Als een toegevoegde bonus, de groep was ook in staat om de intensiteit van de straling te meten die nodig is om bellen in water te creëren, een vaak ongewenste gebeurtenis die optreedt wanneer de röntgenstralen water splitsen in zuurstof en waterstof. Het punt kennen waarop bellen worden gevormd, ze waren in staat om een ​​bovengrens te definiëren voor de intensiteiten van de röntgenstralen (of elektronen) die in deze benadering kunnen worden gebruikt.

"We denken dat ons werk een broodnodige leemte kan opvullen, ", zegt Kolmakov. "Er zijn veel wetenschappers wiens werk baat zou hebben bij het gebruik van XPS bij omgevingsdruk, maar er zijn niet genoeg instrumenten die zijn uitgerust om de monsters onder deze omstandigheden te analyseren, en degenen die er zijn, zijn vaak te duur om te gebruiken. Ons ontwerp is veel eenvoudiger en heeft het potentieel om de kosten te verlagen tot het niveau dat dit soort metingen door veel meer laboratoria zou kunnen worden geboden. Met deze beeldvormingscapaciteit, andere onderzoekers zouden bijvoorbeeld, leer veel meer over het maken van batterijen met een langere levensduur en het ontwikkelen van veiligere en effectievere medicijnen."

Natuurlijk, zoals vaak gebeurt met nieuwe technologieën, de aanpak kent enkele uitdagingen en beperkingen. Kolmakov zegt dat de hechting van het grafeen aan het oppervlak rond de opening moet worden verbeterd. Bovendien, het spervuur ​​​​van röntgenstralen degradeert in de loop van de tijd atomair dun grafeen, dus het team is van plan om manieren te zoeken om dat te verminderen, zo mogelijk.