A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) é uma das técnicas de análise de superfície mais sensíveis e informativas disponíveis. Contudo, O XPS requer alto vácuo para operar, o que dificulta a análise de materiais em ambientes líquidos e gasosos.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), ELETTRA (Itália) e a Universidade Técnica de Munique (Alemanha) descobriram que o grafeno - uma folha de carbono com um átomo de espessura - pode tornar o uso do XPS para estudar materiais nesses ambientes muito mais barato e complicado do que a abordagem convencional. Seus resultados foram publicados na revista Nanoescala .

Os pesquisadores analisaram células e microrganismos usando luz visível, que, enquanto informativo e gentil, não pode ser usado para sondar objetos muito menores do que cerca de 500 nanômetros. Mas muitos dos processos e interações mais importantes da vida ocorrem em escalas de comprimento muito menores. O mesmo acontece com as baterias:tudo o que pode dar errado com elas ocorre nas minúsculas interfaces entre os eletrodos e o eletrólito - muito além do alcance dos microscópios ópticos.

Muitos pesquisadores gostariam de usar raios X ou elétrons para olhar mais profundamente para esses materiais, mas poucos laboratórios têm o equipamento sofisticado necessário para fazer isso, e aqueles laboratórios tão equipados costumam ser caros demais para os cientistas preocupados com o orçamento de hoje.

O XPS funciona bombardeando a superfície em estudo com raios-X. Os átomos na superfície do material absorvem a energia dos raios X e reemitem essa energia como fotoelétrons. Os cientistas estudam a energia cinética e o número de elétrons emitidos em busca de pistas sobre a composição da amostra e o estado eletrônico.

Como os raios X e fotoelétrons interagem com o ar, O XPS deve ser executado sob alto vácuo, o que torna difícil estudar materiais que precisam estar em um ambiente pressurizado. O que os pesquisadores precisavam era de um material de janela quase transparente aos raios X e fotoelétrons, mas impermeável a gases e líquidos e forte o suficiente para suportar o estresse mecânico da pressão de uma atmosfera.

Conhecendo aquele grafeno, o material maravilhoso do século 21, tem essas propriedades, o grupo explorou o uso dele como uma janela para separar o compartimento de líquido de pressão atmosférica do estágio de amostra das condições de alto vácuo dentro do espectrômetro de elétrons.

De acordo com o pesquisador do NIST Andrei Kolmakov, seus resultados demonstram que raios X mais do que suficientes - e fotoelétrons resultantes - são capazes de passar pela janela de grafeno para produzir dados XPS de boa qualidade de líquidos e gases.

Como um bônus adicional, o grupo também foi capaz de medir a intensidade da radiação necessária para criar bolhas na água, uma ocorrência frequentemente indesejada que acontece quando os raios X dividem a água em oxigênio e hidrogênio. Sabendo o ponto em que as bolhas se formam, eles foram capazes de definir um limite superior nas intensidades dos raios X (ou elétrons) que podem ser usados ​​nesta abordagem.

"Achamos que nosso trabalho poderia preencher uma lacuna muito necessária, "diz Kolmakov." Existem muitos cientistas cujo trabalho se beneficiaria com o uso de XPS à pressão ambiente, mas não há instrumentos suficientes equipados para analisar as amostras nessas condições, e aqueles que estão por aí são geralmente muito caros para usar. Nosso projeto é muito mais simples e tem o potencial de reduzir custos a um nível que esse tipo de medição poderia ser oferecido por muitos outros laboratórios. Com esse recurso de imagem, outros pesquisadores poderiam, por exemplo, aprenda muito mais sobre como criar baterias de longa duração e desenvolver medicamentos mais seguros e eficazes. "

Claro, como costuma acontecer com as novas tecnologias, a abordagem tem alguns desafios e limitações. Kolmakov diz que a adesão do grafeno à superfície ao redor da abertura precisa ser melhorada. Além disso, a barragem de raios X degrada o grafeno atomicamente fino ao longo do tempo, então a equipe está planejando encontrar maneiras de mitigar isso, se possível.