La spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) è una delle tecniche di analisi di superficie più sensibili e informative disponibili. Però, XPS richiede un alto vuoto per funzionare, che rende difficile l'analisi di materiali in ambienti liquidi e gassosi.

Ora, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), ELETTRA (Italia) e l'Università tecnica di Monaco (Germania) hanno scoperto che il grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un singolo atomo, potrebbe rendere l'utilizzo dell'XPS per studiare i materiali in questi ambienti molto meno costoso e complicato rispetto all'approccio convenzionale. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nanoscala .

I ricercatori hanno analizzato cellule e microrganismi utilizzando la luce visibile, quale, mentre informativo e gentile, non può essere utilizzato per sondare oggetti molto più piccoli di circa 500 nanometri. Ma molti dei processi e delle interazioni più importanti della vita avvengono su scale di lunghezza molto più piccole. Lo stesso vale per le batterie:tutto ciò che può andare storto con esse avviene nelle minuscole interfacce tra gli elettrodi e l'elettrolita, ben oltre la portata dei microscopi ottici.

Molti ricercatori vorrebbero usare i raggi X o gli elettroni per esaminare più a fondo questi materiali, ma pochi laboratori hanno le attrezzature sofisticate necessarie per farlo, e quei laboratori che sono così attrezzati sono spesso troppo costosi per gli scienziati attenti al budget di oggi.

XPS funziona bombardando la superficie in esame con raggi X. Gli atomi sulla superficie del materiale assorbono l'energia dei raggi X e la riemettono sotto forma di fotoelettroni. Gli scienziati studiano l'energia cinetica e il numero degli elettroni emessi per avere indizi sulla composizione del campione e sullo stato elettronico.

Poiché i raggi X e i fotoelettroni interagiscono con l'aria, XPS deve essere eseguito sotto vuoto spinto, il che rende difficile studiare i materiali che devono trovarsi in un ambiente pressurizzato. Ciò di cui i ricercatori avevano bisogno era un materiale per finestre che fosse quasi trasparente ai raggi X e ai fotoelettroni, ma impermeabile a gas e liquidi e abbastanza forte da resistere allo stress meccanico di una pressione pari a un'atmosfera.

Sapendo che il grafene, il materiale prodigioso del 21° secolo, ha queste proprietà, il gruppo ha esplorato usandolo come una finestra per separare il compartimento liquido a pressione atmosferica del loro stadio campione dalle condizioni di alto vuoto all'interno dello spettrometro elettronico.

Secondo il ricercatore del NIST Andrei Kolmakov, i loro risultati dimostrano che un numero più che sufficiente di raggi X e fotoelettroni risultanti è in grado di passare attraverso la finestra del grafene per produrre dati XPS di buona qualità da liquidi e gas.

Come bonus aggiuntivo, il gruppo è stato anche in grado di misurare l'intensità della radiazione necessaria per creare bolle nell'acqua, un evento spesso indesiderato che si verifica quando i raggi X dividono l'acqua in ossigeno e idrogeno. Sapendo il punto in cui si formano le bolle, sono stati in grado di definire un limite superiore alle intensità dei raggi X (o degli elettroni) che possono essere utilizzati in questo approccio.

"Pensiamo che il nostro lavoro potrebbe colmare una lacuna tanto necessaria, " dice Kolmakov. "Ci sono molti scienziati il ​​cui lavoro trarrebbe beneficio dall'utilizzo dell'XPS a pressione ambiente, ma non ci sono abbastanza strumenti attrezzati per analizzare i campioni in queste condizioni, e quelli là fuori sono spesso troppo costosi da usare. Il nostro design è molto più semplice e ha il potenziale per ridurre i costi al livello che questo tipo di misurazione potrebbe essere consentito da molti più laboratori. Con questa capacità di imaging, altri ricercatori potrebbero Per esempio, imparare molto di più su come creare batterie più durature e sviluppare farmaci più sicuri ed efficaci."

Certo, come spesso accade con le nuove tecnologie, l'approccio presenta alcune sfide e limitazioni. Kolmakov afferma che l'adesione del grafene alla superficie che circonda l'apertura deve essere migliorata. Inoltre, la raffica di raggi X degrada il grafene atomicamente sottile nel tempo, quindi il team sta pianificando di cercare modi per mitigarlo, se possibile.