Neutroner afslører kvantetunnelering på grafen, hvilket muliggør fødslen af ​​stjerner

Grafen er kendt som verdens tyndeste materiale på grund af dets 2-D struktur, hvor hvert ark kun er et carbonatom tykt, tillader hvert atom at deltage i en kemisk reaktion fra to sider. Grafenflager kan have en meget stor andel af kantatomer, som alle har en særlig kemisk reaktivitet. Ud over, kemisk aktive hulrum skabt af manglende atomer er en overfladedefekt af grafenark. Disse strukturelle defekter og kanter spiller en afgørende rolle i kulstofkemi og -fysik, da de ændrer den kemiske reaktivitet af grafen. Faktisk, kemiske reaktioner har gentagne gange vist sig at være begunstiget på disse defekte steder.

Interstellare molekylære skyer er overvejende sammensat af brint i molekylær form (H2), men indeholder også en lille procentdel af støvpartikler, hovedsagelig i form af kulstof nanostrukturer, kaldet polyaromatiske kulbrinter (PAH). Disse skyer omtales ofte som 'stjerneplanteskoler', da deres lave temperatur og høje tæthed tillader tyngdekraften lokalt at kondensere stof på en sådan måde, at det initierer H-fusion, kernereaktionen i hjertet af hver stjerne. Grafenbaserede materialer, fremstillet af eksfoliering af grafitoxid, bruges som en model af interstellart kulstofstøv, da de indeholder en relativt stor mængde atomare defekter, enten ved deres kanter eller på deres overflade. Disse defekter menes at opretholde den kemiske reaktion Eley-Rideal, som rekombinerer to H-atomer til et H2-molekyle.

Observation af interstellare skyer i ugæstfrie områder i rummet, herunder i umiddelbar nærhed af kæmpestjerner, stiller spørgsmålet om oprindelsen af ​​stabiliteten af ​​brint i molekylær form (H2). Dette spørgsmål står, fordi skyerne konstant skylles ud af intens stråling, derfor sprækker brintmolekylerne til atomer. Astrokemikere foreslår, at den kemiske mekanisme, der er ansvarlig for rekombinationen af ​​atomært H til molekylært H2, katalyseres af kulstofflager i interstellare skyer. Deres teorier er udfordret af behovet for et meget effektivt overfladekemi-scenarie til at forklare den observerede ligevægt mellem dissociation og rekombination. De var nødt til at indføre meget reaktive steder i deres modeller, så indfangningen af ​​et atom H i nærheden sker uden fejl. Disse websteder, i form af atomdefekter på overfladen eller kanten af ​​carbonflagerne, skal være sådan, at CH-bindingen dannet derefter gør det muligt for H-atomet at blive frigivet let for at rekombinere med et andet H-atom, der flyver i nærheden.

Et samarbejde mellem Institut Laue-Langevin (ILL), Frankrig, universitetet i Parma, Italien, og ISIS Neutron og Muon Source, Storbritannien, kombineret neutronspektroskopi med densitet funktionel teori (DFT) molekylær dynamik simuleringer for at karakterisere det lokale miljø og vibrationer af brintatomer kemisk bundet på overfladen af ​​væsentligt defekte grafenflager. Yderligere analyser blev udført under anvendelse af muonspektroskopi (muSR) og nuklear magnetisk resonans (NMR). Da tilgængeligheden af ​​prøverne er meget lav, disse meget specifikke teknikker var nødvendige for at studere prøverne; neutronspektroskopi er meget følsom over for brint og tillod nøjagtige data at blive indsamlet ved små koncentrationer.

For første gang nogensinde, denne undersøgelse viste 'kvantetunnelering' i disse systemer, lader H-atomer bundet til C-atomer udforske relativt lange afstande ved temperaturer så lave som dem i interstitielle skyer. Processen involverer brint 'kvantehopping' fra et carbonatom til et andet i dets umiddelbare nærhed, tunnel gennem energibarrierer, som ikke kunne overvindes på grund af manglen på varme i det interstellare skymiljø. Denne bevægelse understøttes af udsvingene i grafenstrukturen, som bringer H-atomet ind i ustabile områder og katalyserer rekombinationsprocessen ved at tillade frigivelsen af ​​det kemisk bundne H-atom. Derfor, det antages, at kvantetunnelering letter reaktionen for dannelsen af ​​molekylært H2.

ILL videnskabsmand og kulstof nanostruktur specialist, Stéphane Rols siger:"Spørgsmålet om, hvordan molekylært brint dannes ved de lave temperaturer i interstellare skyer, har altid været en drivkraft inden for astrokemisk forskning. Vi er stolte over at have kombineret spektroskopiekspertise med neutronernes følsomhed for at identificere det spændende kvantetunneling-fænomen som en mulig mekanisme bag dannelsen af ​​H2; disse observationer er vigtige for at fremme vores forståelse af universet."