De veelzijdige elektronische, chemische en mechanische eigenschappen hebben het centraal geplaatst in natuurwetenschappelijk onderzoek, met de aandacht momenteel gericht op de mogelijke toepassingen. Computerexperts dragen unieke inzichten bij door op grafeen gebaseerde structuren in silico te onderzoeken. Door de structuur en eigenschappen van grafeen te onderzoeken - grafeen dat aan één kant gehydrogeneerd is - heeft een onderzoeksteam uit Singapore en de VS een potentieel sjabloon opgeleverd voor het verpakken van moleculen. Deze structuren kunnen nuttig zijn voor het vangen van moleculen voor energieopslag of biologische toepassingen.

Onder leiding van Chilla Damodara Reddy van het A*STAR Institute of High Performance Computing, Singapore, het onderzoeksteam construeerde rekenkundig een groot vierkant grafeenblad met waterstofatomen die covalent boven elk ander koolstofatoom waren gebonden om een ​​grafondomein te vormen. Afhankelijk van de grootte van het domein, de grafongebieden vervormd tot drie verschillende driedimensionale architecturen. Kleine domeinen veranderden in een kapvorm, terwijl grotere domeinen resulteerden in interfacing grafeen- en grafonsegmenten die in tegengestelde richtingen krommen, waarbij het midden van de grafon-patch vlak bleef. Een derde, tussenliggend, morfologie vertoonde golvingen zowel op het grafon / grafeen-interface als in het midden van het gehydrogeneerde grafon. Een 5% roostermismatch tussen grafeen en grafon veroorzaakte de driedimensionale vervormingen.

Alle structuren waren stabiel ruim boven kamertemperatuur. Reddy en collega's observeerden ook zogenaamde 'energiebronnen' in de grafondomeinen, die ze testten om te bepalen of ze moleculen konden vangen. Ze gebruikten fullerenen als hun modelmoleculen.

De onderzoekers ontwierpen materialen met grafondomeinen op een geschikte afstand van elkaar en van een geschikte diameter om het vangen van meerdere moleculen in de energiebronnen te optimaliseren. Ze stelden ook een minimale afstand tussen de domeinen voor om instabiliteit tussen gevangen moleculen van aangrenzende domeinen te voorkomen.

Reddy en zijn collega's breidden het werk uit om de mogelijkheid te onderzoeken om meerdere fullerenen binnen één grafondomein te vangen. Ze toonden aan dat een domein met een diameter van 2 nanometer drie fullerenen in een driehoekige array kon vangen, terwijl een met een diameter van 4 nanometer twaalf moleculen kon vangen in verschillende golvingen van het grafondomein (zie afbeelding). Deze structuren waren ook stabiel bij kamertemperatuur; hoewel bij zeer hoge temperaturen - boven de 700 kelvin - de moleculen goed aan de grenzen van de energie konden ontsnappen.

"Onze op grafeen gebaseerde structuren bieden een potentiële sjabloon voor het verpakken van andere moleculen, zoals waterstof- en methanolmoleculen, die kunnen worden gebruikt in energietoepassingen, ", zeggen de onderzoekers. Ze zouden ook eiwitten en DNA kunnen vangen voor gebruik in biologische toepassingen.