Monolagen van grafeen kunnen epitaxiaal worden gekweekt op veel monokristallijne metalen oppervlakken onder ultrahoog vacuüm. Aan de ene kant, deze monolagen beschermen zeer reactieve metalen oppervlakken tegen verontreinigingen, maar aan de andere kant de stapeling van de lagen als grafietkool blokkeert de activiteit van overgangsmetaalkatalysatoren. De inertie van het grafiet en de fysieke blokkering van de actieve plaatsen voorkomt dat chemische reacties op het metaaloppervlak plaatsvinden.

Onderzoekers onder leiding van Fernando Martín, Emilio Pérez en Amadeo Vázquez de Parga (IMDEA Nanociencia en Universidad Autónoma de Madrid) hebben aangetoond dat monolagen van grafeen met nanostructuur op een metalen oppervlak een chemische reactie bevorderen die onder niet-gekatalyseerde omstandigheden waarschijnlijk niet zou plaatsvinden.

Een kristal van ruthenium, Ru(0001), is bedekt met een epitaxiaal gegroeide continue grafeenlaag. Vanwege het verschil in roosterparameters, een nieuwe superperiodiciteit verschijnt op de grafeenlaag en moduleert de elektronische eigenschappen ervan. Door gebruik te maken van de modulatie, het oppervlak is gefunctionaliseerd met cyanomethyleengroepen (-CH ₂ CN), covalent gebonden aan het midden van de hexagonale dicht opeengepakte gebieden in de Moiré-eenheidscel, en gedoteerd met TCNQ (7, 7, 8, 8-tetracyano-p-chinodimethaan). TCNQ is een elektronenacceptormolecuul dat wordt gebruikt om grafeenfilms te p-dopen.

Wanneer het op het grafeenoppervlak wordt afgezet, dit molecuul wordt geabsorbeerd op een brugpositie tussen twee rimpelingen. Hier, het is de moeite waard om de belangrijke rol van het oppervlak en van de grafeenlaag op te merken bij het katalyseren van de reactie van TCNQ en -CH ₂ CN. De reactie van TCNQ met CH ₃ CN (de oorspronkelijke reactanten bevinden zich in de gasfase) plus het verlies van een waterstofatoom is zeer onwaarschijnlijk vanwege de hoge energiebarrière (ongeveer 5 eV). De aanwezigheid van de grafeenlaag vermindert deze energiebarrière met een factor 5, waardoor de vorming van de producten wordt bevorderd.

Het nanogestructureerde grafeen bevordert de reactie op een drievoudige manier:ten eerste, het bevat de -CH ₂ CN op zijn plaats; tweede, het zorgt voor een efficiënte ladingsoverdracht van het ruthenium; en ten derde, het voorkomt de absorptie van TCNQ door ruthenium, waardoor het molecuul op het oppervlak kan diffunderen. "

Een soortgelijke zuivere reactie op ongerept ruthenium is niet mogelijk, omdat het reactieve karakter van ruthenium leidt tot de opname van CH ₃ CN en belemmert de mobiliteit van TCNQ-moleculen als ze eenmaal aan het oppervlak zijn geabsorbeerd", zegt Amadeo. De resultaten bevestigen het katalytische karakter van grafeen in deze reactie. "Een dergelijke selectiviteit zou moeilijk te verkrijgen zijn door andere vormen van koolstof te gebruiken, ' bevestigt Emilio.

Verder, de TCNQ-moleculen zijn met elektronen geïnjecteerd met behulp van de scanning tunneling microscope (STM). Deze individuele manipulatie van de moleculen veroorzaakt het verbreken van een CC-binding, wat leidt tot het herstel van de initiële reactanten:CH ₂ CN-grafeen en TCNQ. Het proces is omkeerbaar en reproduceerbaar op een enkel molecuulniveau. Omdat de onderzoekers een Kondo-resonantie hebben waargenomen, de omkeerbaarheid van het proces kan worden gezien als een omkeerbare magnetische schakelaar die wordt bestuurd door een chemische reactie.