Grafen ma wiele zalet i jedną poważną wadę – brak pasma wzbronionego, przez co nie nadaje się do użycia w roli półprzewodnika. Możliwe jest jednak sztuczne wytworzenie pasma wzbronionego w grafenie poprzez dołączenie do niego atomów wodoru.

Atom wodoru (niebieski) uderza w grafen (czarny) i tworzy wiązanie z atomem wodoru (czerwony). Energia wodoru jest absorbowana przez sąsiednie atomy węgla (pomarańczowe, żółte), a następnie rozprzestrzenia się pod grafenie w postaci fali dźwiękowej, © Oliver Bünermann / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry & University of Göttingen

Naukowcy z Göttingen i Pasadeny zarejestrowali właśnie jedną z najszybciej przebiegających reakcji chemicznych, jakie kiedykolwiek badano – niezwykły obraz atomów wodoru łączących się z grafenem.

Uczeni bombardowali grafen atomami wodoru. Wodór zachowywał się nieco inaczej, niż się spodziewaliśmy, mówi Alec Wodtke z Wydziału Dynamiki Powierzchni Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maksa Plancka i profesor Instytutu Chemii Fizycznej z Uniwersytetu w Göttingen. Zamiast natychmiast odlatywać od grafenu, atomy wodoru na chwilę przyklejały się do atomów węgla i dopiero później się od nich odbijały. Tworzyły czasowe wiązanie chemiczne, wyjaśnia. Naukowców zaintrygowało jeszcze jedno zjawisko. Otóż atomy wodoru miały dużą energię przed spotkaniem z grafenem. Gdy zaś go opuszczały ich energia była znacznie niższa. Jej większość traciły podczas zderzenia, lecz nie było jasne, co się z tą energią stało.

Naukowcy z Göttingen i ich koledzy z Caltechu (California Institute of Technology), chcąc wyjaśnić zagadkę zaginionej energii, opracowali model teoretyczny, który przetestowali na komputerze, a uzyskane wyniki porównali z wynikami eksperymentów. Jako, że okazały się one zgodne, naukowcy mogli odtworzyć to, co w ciągu femtosekund zachodziło pomiędzy węglem a wodorem. To wiązanie chemiczne istnieje przez około 10 femtosekund. To jedna z najszybszych bezpośrednio zaobserwowanych reakcji chemicznych, mówi Alexander Kandratsenka z Göttingen.

W ciągu tych 10 femtosekund atom wodoru przekazuje niemal całą swoją energię atomowi węgla w grafenie. Prowadzi do do powstania fali dźwiękowej, która rozprzestrzenia się na zewnątrz od miejsca, w którym atomy się zetknęły. Przypomina to propagację fali powstającej po wrzuceniu kamienia do wody, wyjaśnia uczony. To między innymi dzięki tej fali dźwiękowej atom wodoru łatwiej niż przypuszczano łączy się z atomem węgla.

Uzyskane wyniki mogą mieć fundamentalne znaczenie dla przemysłu i możliwości wykorzystania grafenu w roli półprzewodnika. Jednak same eksperymenty wymagały olbrzymiej wiedzy, zasobów i odpowiedniego sprzętu. Musieliśmy prowadzić je w warunkach próżni niemal doskonałej, by utrzymać grafen w czystości, mówią badacze. Ponadto samo odpowiednie przygotowanie atomów wodoru wymagało wykorzystania olbrzymiej liczby systemu laserowych.

 

 

 

Źródło: Science Daily, KopalniaWiedzy, https://www.sciencetimes.com/articles/21188/20190503/how-hydrogen-atoms-chemically-bind-to-graphene-in-one-of-the-fastest-reactions-ever-studied.htm