Grafeen staat bekend als 's werelds dunste materiaal vanwege de 2D-structuur, waarin elk vel slechts één koolstofatoom dik is, waardoor elk atoom van twee kanten een chemische reactie kan aangaan. Grafeenvlokken kunnen een zeer groot aandeel randatomen hebben, die allemaal een bepaalde chemische reactiviteit hebben. In aanvulling, chemisch actieve holtes gecreëerd door ontbrekende atomen zijn een oppervlaktedefect van grafeenplaten. Deze structurele defecten en randen spelen een vitale rol in de koolstofchemie en -fysica, omdat ze de chemische reactiviteit van grafeen veranderen. In feite, Er is herhaaldelijk aangetoond dat chemische reacties op deze defectlocaties de voorkeur genieten.

Interstellaire moleculaire wolken bestaan ​​voornamelijk uit waterstof in moleculaire vorm (H2), maar bevatten ook een klein percentage stofdeeltjes, meestal in de vorm van koolstofnanostructuren, polyaromatische koolwaterstoffen (PAK) genoemd. Deze wolken worden vaak 'sterkraamkamers' genoemd omdat hun lage temperatuur en hoge dichtheid de zwaartekracht in staat stelt om materie lokaal te condenseren op een zodanige manier dat het H-fusie initieert, de kernreactie in het hart van elke ster. Op grafeen gebaseerde materialen, bereid uit de afschilfering van grafietoxide, worden gebruikt als een model van interstellair koolstofstof omdat ze relatief veel atoomdefecten bevatten, hetzij aan hun randen of op hun oppervlak. Men denkt dat deze defecten de chemische reactie van Eley-Rideal ondersteunen, die twee H-atomen recombineert tot één H2-molecuul.

De waarneming van interstellaire wolken in onherbergzame gebieden in de ruimte, ook in de directe nabijheid van reuzensterren, stelt de vraag naar de oorsprong van de stabiliteit van waterstof in de moleculaire vorm (H2). Deze vraag blijft staan ​​omdat de wolken voortdurend worden weggespoeld door intense straling, vandaar het kraken van de waterstofmoleculen in atomen. Astrochemici suggereren dat het chemische mechanisme dat verantwoordelijk is voor de recombinatie van atomair H in moleculaire H2 wordt gekatalyseerd door koolstofvlokken in interstellaire wolken. Hun theorieën worden uitgedaagd door de behoefte aan een zeer efficiënt scenario voor oppervlaktechemie om het waargenomen evenwicht tussen dissociatie en recombinatie te verklaren. Ze moesten zeer reactieve sites in hun modellen introduceren, zodat de vangst van een atomaire H in de buurt zonder mankeren plaatsvindt. deze plaatsen, in de vorm van atoomdefecten aan het oppervlak of de rand van de koolstofvlokken, moet zodanig zijn dat de daarna gevormde C-H-binding het mogelijk maakt dat het H-atoom gemakkelijk wordt vrijgegeven om te recombineren met een ander H-atoom dat in de buurt vliegt.

Een samenwerking tussen het Institut Laue-Langevin (ILL), Frankrijk, de Universiteit van Parma, Italië, en de ISIS Neutronen- en Muonbron, VK, gecombineerde neutronenspectroscopie met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) moleculaire dynamica-simulaties om de lokale omgeving en trillingen van waterstofatomen die chemisch gebonden zijn aan het oppervlak van substantieel defecte grafeenvlokken te karakteriseren. Aanvullende analyses werden uitgevoerd met behulp van muonspectroscopie (muSR) en nucleaire magnetische resonantie (NMR). Omdat de beschikbaarheid van de monsters erg laag is, deze zeer specifieke technieken waren nodig om de monsters te bestuderen; neutronenspectroscopie is zeer gevoelig voor waterstof en maakte het mogelijk nauwkeurige gegevens te verzamelen bij kleine concentraties.

Voor de eerste keer ooit, deze studie toonde 'quantum tunneling' in deze systemen, waardoor de H-atomen gebonden aan C-atomen relatief lange afstanden kunnen verkennen bij temperaturen zo laag als die in interstitiële wolken. Het proces omvat waterstof 'quantum hopping' van het ene koolstofatoom naar het andere in de directe omgeving, tunnelen door energiebarrières die niet konden worden overwonnen gezien het gebrek aan warmte in de interstellaire wolkenomgeving. Deze beweging wordt ondersteund door de fluctuaties van de grafeenstructuur, die het H-atoom in onstabiele gebieden brengen en het recombinatieproces katalyseren door de afgifte van het chemisch gebonden H-atoom mogelijk te maken. Daarom, er wordt aangenomen dat kwantumtunneling de reactie voor de vorming van moleculaire H2 vergemakkelijkt.

IBL wetenschapper en koolstof nanostructuur specialist, Stéphane Rols zegt:"De vraag hoe moleculaire waterstof wordt gevormd bij lage temperaturen in interstellaire wolken is altijd een drijfveer geweest in astrochemisch onderzoek. We zijn er trots op dat we spectroscopie-expertise hebben gecombineerd met de gevoeligheid van neutronen om het intrigerende fenomeen van kwantumtunneling te identificeren als een mogelijk mechanisme achter de vorming van H2; deze waarnemingen zijn belangrijk in het bevorderen van ons begrip van het universum."