El grafeno es conocido como el material más delgado del mundo debido a su estructura 2-D, en el que cada hoja tiene un solo átomo de carbono de espesor, permitiendo que cada átomo participe en una reacción química desde dos lados. Las escamas de grafeno pueden tener una gran proporción de átomos de borde, todos los cuales tienen una reactividad química particular. Además, Los vacíos químicamente activos creados por la falta de átomos son un defecto superficial de las láminas de grafeno. Estos defectos y bordes estructurales juegan un papel vital en la química y física del carbono, ya que alteran la reactividad química del grafeno. De hecho, Se ha demostrado repetidamente que las reacciones químicas se favorecen en estos sitios de defectos.

Las nubes moleculares interestelares están compuestas predominantemente de hidrógeno en forma molecular (H2), pero también contienen un pequeño porcentaje de partículas de polvo, principalmente en forma de nanoestructuras de carbono, llamados hidrocarburos poliaromáticos (PAH). Estas nubes a menudo se denominan `` viveros de estrellas '' porque su baja temperatura y alta densidad permiten que la gravedad condense localmente la materia de tal manera que inicie la fusión de H, la reacción nuclear en el corazón de cada estrella. Materiales a base de grafeno, preparado a partir de la exfoliación de óxido de grafito, se utilizan como modelo de polvo de carbono interestelar, ya que contienen una cantidad relativamente grande de defectos atómicos, ya sea en sus bordes o en su superficie. Se cree que estos defectos sostienen la reacción química de Eley-Rideal, que recombina dos átomos de H en una molécula de H2.

La observación de nubes interestelares en regiones inhóspitas del espacio, incluso en la proximidad directa de estrellas gigantes, plantea la cuestión del origen de la estabilidad del hidrógeno en forma molecular (H2). Esta pregunta se debe a que las nubes están siendo constantemente lavadas por una intensa radiación, de ahí que se rompan las moléculas de hidrógeno en átomos. Los astroquímicos sugieren que el mecanismo químico responsable de la recombinación del H atómico en H2 molecular es catalizado por escamas de carbono en las nubes interestelares. Sus teorías se ven desafiadas por la necesidad de un escenario químico de superficie muy eficiente para explicar el equilibrio observado entre la disociación y la recombinación. Tuvieron que introducir sitios altamente reactivos en sus modelos para que la captura de un H atómico cercano ocurra sin falta. Estos sitios, en forma de defectos atómicos en la superficie o en el borde de las escamas de carbono, debe ser tal que el enlace C-H formado a partir de entonces permita que el átomo de H se libere fácilmente para recombinarse con otro átomo de H que vuele cerca.

Una colaboración entre el Institut Laue-Langevin (ILL), Francia, la Universidad de Parma, Italia, y la fuente de neutrones y muones de ISIS, REINO UNIDO, espectroscopía de neutrones combinada con simulaciones de dinámica molecular de la teoría funcional de la densidad (DFT) para caracterizar el entorno local y las vibraciones de los átomos de hidrógeno unidos químicamente en la superficie de escamas de grafeno sustancialmente defectuosas. Se llevaron a cabo análisis adicionales utilizando espectroscopia de muones (muSR) y resonancia magnética nuclear (RMN). Como la disponibilidad de las muestras es muy baja, estas técnicas altamente específicas fueron necesarias para estudiar las muestras; La espectroscopia de neutrones es muy sensible al hidrógeno y permitió recopilar datos precisos en pequeñas concentraciones.

Por primera vez, este estudio mostró un 'túnel cuántico' en estos sistemas, permitiendo que los átomos de H unidos a los átomos de C exploren distancias relativamente largas a temperaturas tan bajas como las de las nubes intersticiales. El proceso implica un 'salto cuántico' de hidrógeno de un átomo de carbono a otro en su vecindad directa, hacer túneles a través de barreras de energía que no se pudieron superar debido a la falta de calor en el entorno de la nube interestelar. Este movimiento es sostenido por las fluctuaciones de la estructura del grafeno, que llevan al átomo de H a regiones inestables y catalizan el proceso de recombinación al permitir la liberación del átomo de H químicamente enlazado. Por lo tanto, Se cree que el efecto túnel cuántico facilita la reacción para la formación de H2 molecular.

Científico de ILL y especialista en nanoestructuras de carbono, Stéphane Rols dice:"La cuestión de cómo se forma el hidrógeno molecular a bajas temperaturas en las nubes interestelares siempre ha sido un motor en la investigación astroquímica. Estamos orgullosos de haber combinado la experiencia en espectroscopía con la sensibilidad de los neutrones para identificar el intrigante fenómeno de túnel cuántico como un posible mecanismo detrás de la formación de H2; estas observaciones son importantes para ampliar nuestra comprensión del universo ".