Graphene tilbyder røntgenfotoelektronspektroskopi et vindue af muligheder

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) er en af ​​de mest følsomme og informative overfladeanalyseteknikker, der findes. Imidlertid, XPS kræver et højt vakuum for at fungere, hvilket gør det vanskeligt at analysere materialer i flydende og gasformige miljøer.

Nu, forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), ELETTRA (Italien) og Teknisk Universitet i München (Tyskland) har fundet ud af, at grafen-et enkelt atom-tykt lag kulstof-kunne gøre brug af XPS til at studere materialer i disse miljøer meget billigere og kompliceret end den konventionelle tilgang. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Nanoskala .

Forskere har analyseret celler og mikroorganismer ved hjælp af synligt lys, hvilken, mens informativ og blid, kan ikke bruges til at sonde objekter meget mindre end omkring 500 nanometer. Men mange af livets vigtigste processer og interaktioner finder sted på meget mindre længdeskalaer. Det samme er tilfældet med batterier:Alt, hvad der kan gå galt med dem, finder sted ved de små grænseflader mellem elektroderne og elektrolytten - langt uden for rækkevidde af optiske mikroskoper.

Mange forskere vil gerne bruge røntgenstråler eller elektroner til at se dybere ind i disse materialer, men få laboratorier har det sofistikerede udstyr, der er nødvendigt for at gøre det, og de laboratorier, der er så udstyrede, er ofte for dyre for nutidens budgetbevidste forskere.

XPS fungerer ved at bombardere den undersøgte overflade med røntgenstråler. Atomer på overfladen af ​​materialet absorberer røntgenenergien og udsender den energi som fotoelektroner. Forskere studerer den kinetiske energi og antallet af de udsendte elektroner til spor om prøvens sammensætning og elektroniske tilstand.

Fordi røntgenstråler og fotoelektroner interagerer med luften, XPS skal udføres under højt vakuum, hvilket gør det svært at studere materialer, der skal være i et presset miljø. Hvad forskere havde brug for var et vinduesmateriale, der var næsten gennemsigtigt for røntgenstråler og fotoelektroner, men uigennemtrængelig for gasser og væsker og stærk nok til at modstå den mekaniske belastning af en atmosfæres tryk.

Ved at grafen, vidundermaterialet i det 21. århundrede, har disse egenskaber, gruppen undersøgte at bruge det som et vindue til at adskille deres prøvestadiums væskekammer i atmosfærisk tryk fra højvakuumforholdene inde i elektronspektrometeret.

Ifølge NIST -forsker Andrei Kolmakov, deres resultater viser, at mere end nok røntgenstråler - og resulterende fotoelektroner - er i stand til at passere gennem grafenvinduet for at producere XPS -data af god kvalitet fra væsker og gasser.

Som en ekstra bonus, gruppen var også i stand til at måle intensiteten af ​​stråling, der er nødvendig for at skabe bobler i vand, en ofte uønsket forekomst, der sker, når røntgenstrålerne splitter vand i ilt og brint. Ved, hvor det dannes bobler, de var i stand til at definere en øvre grænse for intensiteten af ​​de røntgenstråler (eller elektroner), der kan bruges i denne fremgangsmåde.

"Vi tror, ​​at vores arbejde kan udfylde et tiltrængt hul, "siger Kolmakov." Der er mange forskere, hvis arbejde ville have fordel af at bruge XPS ved omgivelsestryk, men der er ikke nok instrumenter, der er udstyret til at analysere prøverne under disse forhold, og dem derude er ofte for dyre at bruge. Vores design er langt enklere og har potentiale til at reducere omkostningerne til det niveau, som denne type måling kunne ydes af mange flere laboratorier. Med denne billedfunktion, andre forskere kunne for eksempel, lære meget mere om, hvordan du opretter batterier med lang levetid og udvikler sikrere og mere effektive lægemidler. "

Selvfølgelig, som det ofte sker med nye teknologier, tilgangen har et par udfordringer og begrænsninger. Kolmakov siger, at vedhæftningen af ​​grafen til overfladen omkring åbningen skal forbedres. I øvrigt, spærringen af ​​røntgenstråler nedbryder atomisk tyndt grafen over tid, så teamet planlægger at lede efter måder at afbøde det på, hvis det er muligt.