Más pegajoso de lo esperado: el hidrógeno se une al grafeno en 10 femtosegundos
El grafeno es considerado un material extraordinario. Consiste en carbono puro con un grosor de solo una capa atómica.
El átomo de hidrógeno (en azul) golpea la superficie de grafeno (en negro) y forma un enlace ultra-rápido con un átomo de carbono (en rojo). La alta energía del átomo de hidrógeno que impacta es absorbida primero por los átomos de carbono próximos (naranja y amarillo) y después es transferida a la superficie de grafeno en forma de una onda sonora. / Oliver Bünermann / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry & University of Göttingen
A pesar de todo, es extremadamente estable, fuerte e incluso conductor. Sin embargo, para la electrónica, el grafeno posee aún desventajas cruciales. No puede usarse como semiconductor, ya que no tiene banda prohibida. Pero si se adhieren átomos de hidrógeno al grafeno se puede formar esa banda prohibida. Ahora, unos investigadores han producido una “película a escala atómica” que muestra cómo se unen químicamente los átomos de hidrógeno al grafeno en una de las reacciones más rápidas que se hayan estudiado nunca.
El equipo internacional de investigación bombardeó el grafeno con átomos de hidrógeno, y resultó que este último se comportaba bastante diferente a lo que esperaban los científicos del Max Planck Institute. En vez de salir inmediatamente volando, los átomos de hidrógeno se “adhieren” brevemente a los de carbono y después rebotan abandonando la superficie. Es decir, forman un enlace químico transitorio. Y otra cosa sorprendió a los científicos: los átomos de hidrógeno poseen mucha energía antes de golpear el grafeno, pero no les queda mucha cuando salen volando. Pierden la mayor parte de su energía en la colisión, pero, ¿a dónde va esta?
Para explicar estas observaciones experimentales sorprendentes, se desarrollaron métodos teóricos, los cuales simularon en un ordenador y después compararon con sus experimentos. Con estas simulaciones teóricas, que coinciden bastante bien con las observaciones experimentales, los investigadores pudieron reproducir movimientos ultra-rápidos de átomos formando el enlace químico transitorio. Según el estudio, este enlace dura solo unos 10 femtosegundos (un femtosegundo es una milbillonésima de segundo). Eso lo convierte en una de las reacciones químicas más rápidas jamás observadas directamente.
Durante estos 10 femtosegundos, el átomo de hidrógeno puede transferir casi toda su energía a los átomos de carbono del grafeno y desencadena una onda sonora que se propaga desde el exterior del punto del impacto del átomo de hidrógeno por encima de la superficie del grafeno, como una piedra que cae al agua y desencadena una ola. La onda sonora contribuye al hecho de que el átomo de hidrógeno pueda unirse más fácilmente al átomo de carbono de lo que los científicos habían esperado y habían pronosticado los modelos anteriores.
Esta información será muy útil para la industria, ya que adherir átomos de hidrógeno al grafeno puede producir una banda prohibida, convirtiéndolo en un semiconductor útil y mucho más versátil en la electrónica.
