p O grafeno é conhecido como o material mais fino do mundo devido à sua estrutura 2-D, em que cada folha tem apenas um átomo de carbono de espessura, permitindo que cada átomo se engaje em uma reação química de dois lados. Flocos de grafeno podem ter uma proporção muito grande de átomos de borda, todos os quais têm uma reatividade química particular. Além disso, vazios quimicamente ativos criados por átomos ausentes são um defeito superficial das folhas de grafeno. Esses defeitos estruturais e bordas desempenham um papel vital na química e física do carbono, pois alteram a reatividade química do grafeno. Na verdade, as reações químicas têm se mostrado repetidamente favorecidas nesses locais de defeitos. p Nuvens moleculares interestelares são compostas predominantemente de hidrogênio na forma molecular (H2), mas também contêm uma pequena porcentagem de partículas de poeira principalmente na forma de nanoestruturas de carbono, chamados hidrocarbonetos poliaromáticos (PAH). Essas nuvens são frequentemente chamadas de 'berçários de estrelas', pois sua baixa temperatura e alta densidade permitem que a gravidade condense localmente a matéria de tal forma que inicia a fusão H, a reação nuclear no coração de cada estrela. Materiais à base de grafeno, preparado a partir da esfoliação de óxido de grafite, são usados ​​como um modelo de poeira de carbono interestelar, pois contêm uma quantidade relativamente grande de defeitos atômicos, tanto em suas bordas quanto em sua superfície. Acredita-se que esses defeitos sustentem a reação química Eley-Rideal, que recombina dois átomos de H em uma molécula de H2.

p A observação de nuvens interestelares em regiões inóspitas do espaço, inclusive na proximidade direta de estrelas gigantes, coloca a questão da origem da estabilidade do hidrogênio na forma molecular (H2). Esta questão permanece porque as nuvens estão constantemente sendo lavadas por radiação intensa, daí a quebra das moléculas de hidrogênio em átomos. Os astroquímicos sugerem que o mecanismo químico responsável pela recombinação do H atômico em H2 molecular é catalisado por flocos de carbono em nuvens interestelares. Suas teorias são desafiadas pela necessidade de um cenário de química de superfície muito eficiente para explicar o equilíbrio observado entre dissociação e recombinação. Eles tiveram que introduzir locais altamente reativos em seus modelos para que a captura de um H atômico próximo ocorresse sem falhas. Esses sites, na forma de defeitos atômicos na superfície ou borda dos flocos de carbono, deve ser tal que a ligação C-H formada depois disso permite que o átomo de H seja liberado facilmente para se recombinar com outro átomo de H voando nas proximidades.

p Uma colaboração entre o Institut Laue-Langevin (ILL), França, a Universidade de Parma, Itália, e o ISIS Neutron and Muon Source, REINO UNIDO, espectroscopia de nêutrons combinada com simulações de dinâmica molecular de teoria funcional de densidade (DFT) para caracterizar o ambiente local e as vibrações de átomos de hidrogênio quimicamente ligados na superfície de flocos de grafeno substancialmente defeituosos. Análises adicionais foram realizadas usando espectroscopia de múon (muSR) e ressonância magnética nuclear (NMR). Como a disponibilidade das amostras é muito baixa, essas técnicas altamente específicas eram necessárias para estudar as amostras; a espectroscopia de nêutrons é altamente sensível ao hidrogênio e permitiu que dados precisos fossem coletados em pequenas concentrações.

p Pela primeira vez, este estudo mostrou 'tunelamento quântico' nestes sistemas, permitindo que os átomos de H ligados aos átomos de C explorem distâncias relativamente longas em temperaturas tão baixas quanto aquelas em nuvens intersticiais. O processo envolve o 'salto quântico' de hidrogênio de um átomo de carbono para outro em sua vizinhança direta, tunelamento através de barreiras de energia que não puderam ser superadas devido à falta de calor no ambiente de nuvem interestelar. Este movimento é sustentado pelas flutuações da estrutura do grafeno, que trazem o átomo H em regiões instáveis ​​e catalisam o processo de recombinação, permitindo a liberação do átomo H quimicamente ligado. Portanto, acredita-se que o tunelamento quântico facilita a reação para a formação do H2 molecular.

p Cientista do ILL e especialista em nanoestrutura de carbono, Stéphane Rols diz:"A questão de como o hidrogênio molecular se forma em baixas temperaturas nas nuvens interestelares sempre foi um motivador na pesquisa em astroquímica. Estamos orgulhosos de ter combinado a experiência em espectroscopia com a sensibilidade dos nêutrons para identificar o intrigante fenômeno do tunelamento quântico como um possível mecanismo por trás da formação de H2; essas observações são significativas para aprofundar nossa compreensão do universo. "