La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) es una de las técnicas de análisis de superficies más sensibles e informativas disponibles. Sin embargo, XPS requiere un alto vacío para funcionar, lo que dificulta el análisis de materiales en entornos líquidos y gaseosos.

Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ELETTRA (Italia) y la Universidad Técnica de Munich (Alemania) han descubierto que el grafeno, una hoja de carbono de un solo átomo de espesor, podría hacer que el uso de XPS para estudiar materiales en estos entornos sea mucho menos costoso y complicado que el enfoque convencional. Sus resultados fueron publicados en la revista Nanoescala .

Los investigadores han analizado células y microorganismos utilizando luz visible, cuales, a la vez que informativo y amable, no se puede utilizar para sondear objetos mucho más pequeños que unos 500 nanómetros. Pero muchos de los procesos e interacciones más importantes de la vida tienen lugar a escalas de longitud mucho más pequeñas. Lo mismo ocurre con las baterías:todo lo que puede fallar en ellas tiene lugar en las pequeñas interfaces entre los electrodos y el electrolito, mucho más allá del alcance de los microscopios ópticos.

A muchos investigadores les gustaría usar rayos X o electrones para profundizar en estos materiales, pero pocos laboratorios tienen el equipo sofisticado necesario para hacerlo, y esos laboratorios que están tan equipados a menudo son demasiado costosos para los científicos conscientes del presupuesto de hoy.

XPS funciona bombardeando la superficie en estudio con rayos X. Los átomos de la superficie del material absorben la energía de los rayos X y la reemiten como fotoelectrones. Los científicos estudian la energía cinética y el número de electrones emitidos en busca de pistas sobre la composición y el estado electrónico de la muestra.

Debido a que los rayos X y los fotoelectrones interactúan con el aire, XPS debe realizarse a alto vacío, lo que dificulta el estudio de materiales que deben estar en un entorno presurizado. Lo que necesitaban los investigadores era un material de ventana que fuera casi transparente a los rayos X y fotoelectrones, pero impermeable a los gases y líquidos y lo suficientemente fuerte como para soportar el esfuerzo mecánico de la presión de una atmósfera.

Sabiendo que el grafeno, el material maravilloso del siglo XXI, tiene estas propiedades, el grupo exploró usándolo como una ventana para separar el compartimiento de líquido a presión atmosférica de su etapa de muestra de las condiciones de alto vacío dentro del espectrómetro de electrones.

Según el investigador del NIST, Andrei Kolmakov, sus resultados demuestran que más que suficientes rayos X, y los fotoelectrones resultantes, pueden atravesar la ventana de grafeno para producir datos XPS de buena calidad a partir de líquidos y gases.

Como bono adicional, el grupo también pudo medir la intensidad de la radiación necesaria para crear burbujas en el agua, una ocurrencia frecuentemente no deseada que ocurre cuando los rayos X dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Conociendo el punto en el que se forman las burbujas, pudieron definir un límite superior en las intensidades de los rayos X (o electrones) que se pueden utilizar en este enfoque.

"Creemos que nuestro trabajo podría llenar un vacío muy necesario, ", dice Kolmakov." Hay muchos científicos cuyo trabajo se beneficiaría del uso de XPS a presión ambiental, pero no hay suficientes instrumentos equipados para analizar las muestras en estas condiciones, y los que existen son a menudo demasiado costosos de usar. Nuestro diseño es mucho más simple y tiene el potencial de reducir los costos al nivel en que muchos más laboratorios podrían permitir este tipo de medición. Con esta capacidad de imágenes, otros investigadores podrían, por ejemplo, aprenda mucho más sobre cómo crear baterías de mayor duración y desarrollar medicamentos más seguros y efectivos ".

Por supuesto, como suele suceder con las nuevas tecnologías, el enfoque tiene algunos desafíos y limitaciones. Kolmakov dice que es necesario mejorar la adhesión del grafeno a la superficie que rodea la abertura. Es más, el aluvión de rayos X degrada el grafeno atómicamente delgado con el tiempo, por lo que el equipo planea buscar formas de mitigar eso, si es posible.