Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) är en av de mest känsliga och informativa ytanalystekniker som finns. Dock, XPS kräver högt vakuum för att fungera, vilket gör det svårt att analysera material i flytande och gasformiga miljöer.

Nu, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), ELETTRA (Italien) och tekniska universitetet i München (Tyskland) har funnit att grafen-ett en-atom-tjockt kolark-kan göra att använda XPS för att studera material i dessa miljöer mycket billigare och komplicerat än det konventionella tillvägagångssättet. Deras resultat publicerades i tidningen Nanoskala .

Forskare har analyserat celler och mikroorganismer med hjälp av synligt ljus, som, medan informativ och mild, kan inte användas för att mäta föremål som är mycket mindre än cirka 500 nanometer. Men många av livets viktigaste processer och interaktioner sker på mycket mindre längdskalor. Detsamma gäller för batterier:allt som kan gå fel med dem sker vid de små gränssnitten mellan elektroderna och elektrolyten - långt utanför räckvidden för optiska mikroskop.

Många forskare skulle vilja använda röntgenstrålar eller elektroner för att titta djupare in i dessa material, men få laboratorier har den sofistikerade utrustningen som behövs för att göra det, och de laboratorier som är så utrustade är ofta för dyra för dagens budgetmedvetna forskare.

XPS fungerar genom att bombardera den undersökta ytan med röntgenstrålar. Atomerna på materialets yta absorberar röntgenenergin och avger den energin som fotoelektroner. Forskare studerar rörelseenergin och antalet utsända elektroner för ledtrådar om provets sammansättning och elektroniska tillstånd.

Eftersom röntgenstrålar och fotoelektroner interagerar med luften, XPS måste utföras under högvakuum, vilket gör det svårt att studera material som måste vara i en pressad miljö. Vad forskare behövde var ett fönstermaterial som var nästan transparent för röntgenstrålar och fotoelektroner, men ogenomtränglig för gaser och vätskor och tillräckligt stark för att klara den mekaniska belastningen av en atmosfärs tryck.

Att veta att grafen, 2000 -talets undermaterial, har dessa egenskaper, gruppen undersökte att använda den som ett fönster för att separera provstegets vätskeavdelning för atmosfärstryck från högvakuumförhållandena inuti elektronspektrometern.

Enligt NIST -forskaren Andrei Kolmakov, deras resultat visar att mer än tillräckligt med röntgenstrålar - och resulterande fotoelektroner - kan passera genom grafenfönstret för att producera XPS -data av god kvalitet från vätskor och gaser.

Som en extra bonus, gruppen kunde också mäta intensiteten av strålning som behövs för att skapa bubblor i vatten, en ofta oönskad händelse som händer när röntgenstrålarna delar vatten i syre och väte. Att veta den punkt där bubblor bildas, de kunde definiera en övre gräns för intensiteten hos röntgenstrålarna (eller elektronerna) som kan användas i detta tillvägagångssätt.

"Vi tror att vårt arbete kan fylla ett välbehövligt gap, "säger Kolmakov." Det finns många forskare vars arbete skulle gynnas av att använda XPS vid omgivningstryck, men det finns inte tillräckligt med instrument som är utrustade för att analysera proverna under dessa förhållanden, och de där ute är ofta för dyra att använda. Vår design är mycket enklare och har potential att sänka kostnaderna till den nivå som denna typ av mätningar kan erbjudas av många fler laboratorier. Med denna bildförmåga, andra forskare kan, till exempel, lära dig mycket mer om hur du skapar batterier som håller längre och utvecklar säkrare och effektivare läkemedel. "

Självklart, som ofta händer med ny teknik, tillvägagångssättet har några utmaningar och begränsningar. Kolmakov säger att vidhäftningen av grafen till ytan som omger öppningen måste förbättras. Dessutom, röntgenstrålen försämrar atomtunn grafen över tiden, så laget planerar att leta efter sätt att mildra det, om möjligt.