Международная группа исследователей бомбардировала графен атомами водорода. «Атом водорода вел себя совсем не так, как мы ожидали», – говорит Алек Водтке, руководитель отдела динамики поверхности Института Макса Планка (MPI) по биофизической химии и профессор Института физической химии Геттингенского университета. «Вместо того, чтобы немедленно улететь, атомы водорода ненадолго« прилипают »к атомам углерода, а затем отскакивают от поверхности. Они образуют временную химическую связь », – сообщает Водтке. И кое-что еще удивило ученых: атомы водорода имеют много энергии, прежде чем они попадают в графен, но не так много остается, когда они улетают. Атомы водорода теряют большую часть своей энергии при столкновении, но куда он девается??
Чтобы объяснить эти удивительные экспериментальные наблюдения, исследователь Геттингенского MPI Александр Кандраценка в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского технологического института разработал теоретические методы, которые они смоделировали на компьютере, а затем сравнили со своими экспериментами. С помощью этого теоретического моделирования, которое хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями, исследователи смогли воспроизвести сверхбыстрые движения атомов, образующих временную химическую связь. "Эта связь длится всего около десяти фемтосекунд – десять квадриллионных долей секунды. Это делает ее одной из самых быстрых химических реакций, когда-либо наблюдаемых напрямую », – поясняет Кандраценка.
«В течение этих десяти фемтосекунд атом водорода может передавать почти всю свою энергию атомам углерода графена, и он запускает звуковую волну, которая распространяется наружу от точки удара атома водорода по поверхности графена, как камень, который падает в воду и вызывает волну », – говорит Кандраценка. Звуковая волна способствует тому, что атом водорода может легче связываться с атомом углерода, чем ожидали ученые и предсказывали предыдущие модели.
Результаты исследовательской группы позволяют по-новому взглянуть на химическое связывание. Кроме того, они представляют большой интерес для промышленности. Приклеивание атомов водорода к графену может привести к образованию запрещенной зоны, что делает его полезным полупроводником и гораздо более универсальным в электронике.
Как рассказал Оливер Бунерманн, руководитель проектной группы в Геттингенском университете, для создания и проведения этих экспериментов потребовались огромные усилия. «Нам пришлось проводить их в сверхвысоком вакууме, чтобы поверхность графена оставалась идеально чистой.«Ученым также пришлось использовать большое количество лазерных систем для подготовки атомов водорода перед экспериментом и для их обнаружения после столкновения. По словам Бунерманна, отличный технический персонал на семинарах в MPI для биофизической химии и в Геттингенском университете сыграл важную роль в успехе проекта.