La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) est l'une des techniques d'analyse de surface les plus sensibles et informatives disponibles. Cependant, XPS nécessite un vide poussé pour fonctionner, ce qui rend difficile l'analyse des matériaux dans des environnements liquides et gazeux.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), ELETTRA (Italie) et l'Université technique de Munich (Allemagne) ont découvert que le graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, pouvait rendre l'utilisation du XPS pour étudier les matériaux dans ces environnements beaucoup moins coûteuse et compliquée que l'approche conventionnelle. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nanoéchelle .

Des chercheurs ont analysé des cellules et des micro-organismes à l'aide de la lumière visible, lequel, tout en informatif et doux, ne peut pas être utilisé pour sonder des objets beaucoup plus petits qu'environ 500 nanomètres. Mais bon nombre des processus et interactions les plus importants de la vie ont lieu à des échelles de longueur beaucoup plus petites. Il en va de même pour les batteries :tout ce qui peut mal se passer avec elles se produit au niveau des minuscules interfaces entre les électrodes et l'électrolyte, bien au-delà de la portée des microscopes optiques.

De nombreux chercheurs aimeraient utiliser des rayons X ou des électrons pour approfondir ces matériaux, mais peu de laboratoires disposent de l'équipement sophistiqué nécessaire pour le faire, et ces laboratoires qui sont ainsi équipés sont souvent trop chers pour les scientifiques soucieux de leur budget d'aujourd'hui.

XPS fonctionne en bombardant la surface étudiée avec des rayons X. Les atomes à la surface du matériau absorbent l'énergie des rayons X et réémettent cette énergie sous forme de photoélectrons. Les scientifiques étudient l'énergie cinétique et le nombre d'électrons émis pour obtenir des indices sur la composition et l'état électronique de l'échantillon.

Parce que les rayons X et les photoélectrons interagissent avec l'air, XPS doit être effectué sous vide poussé, ce qui rend difficile l'étude des matériaux qui doivent être dans un environnement pressurisé. Les chercheurs avaient besoin d'un matériau de fenêtre presque transparent aux rayons X et aux photoélectrons, mais imperméable aux gaz et aux liquides et assez solide pour résister aux contraintes mécaniques d'une atmosphère de pression.

Sachant que le graphène, le matériau miracle du 21ème siècle, a ces propriétés, le groupe a exploré l'utiliser comme fenêtre pour séparer le compartiment liquide à pression atmosphérique de leur platine d'échantillonnage des conditions de vide poussé à l'intérieur du spectromètre électronique.

Selon Andrei Kolmakov, chercheur au NIST, leurs résultats démontrent que plus qu'assez de rayons X - et de photoélectrons résultants - sont capables de traverser la fenêtre de graphène pour produire des données XPS de bonne qualité à partir de liquides et de gaz.

En prime, le groupe a également pu mesurer l'intensité du rayonnement nécessaire pour créer des bulles dans l'eau, un événement souvent indésirable qui se produit lorsque les rayons X divisent l'eau en oxygène et en hydrogène. Connaissant le point de formation des bulles, ils ont pu définir une limite supérieure sur les intensités des rayons X (ou électrons) utilisables dans cette approche.

"Nous pensons que notre travail pourrait combler une lacune bien nécessaire, " dit Kolmakov. " Il y a beaucoup de scientifiques dont le travail gagnerait à utiliser XPS à pression ambiante, mais il n'y a pas assez d'instruments équipés pour analyser les échantillons dans ces conditions, et ceux là-bas sont souvent trop coûteux à utiliser. Notre conception est beaucoup plus simple et a le potentiel de réduire les coûts au niveau que ce type de mesure pourrait être offert par de nombreux autres laboratoires. Avec cette capacité d'imagerie, d'autres chercheurs pourraient, par exemple, apprenez beaucoup plus sur la façon de créer des batteries plus durables et de développer des médicaments plus sûrs et plus efficaces. »

Bien sûr, comme c'est souvent le cas avec les nouvelles technologies, l'approche a quelques défis et limites. Kolmakov dit que l'adhérence du graphène à la surface entourant l'ouverture doit être améliorée. De plus, le barrage de rayons X dégrade le graphène atomiquement mince au fil du temps, l'équipe envisage donc de chercher des moyens d'atténuer cela, si possible.