氫原子（藍色）“撞擊”石墨烯表面，與碳原子（紅色）形成超快鍵合，其攜帶的能量首先被臨近碳原子（橙色和黃色）吸收，然后以聲波的形式傳遞到石墨烯表面。

石墨烯被譽為“一種非凡的材料”：由純碳構(gòu)成，僅單原子層厚度，然而卻非常穩(wěn)定，還能導(dǎo)電。對于電子產(chǎn)品而言，石墨烯的最大缺陷在于它沒有帶隙，因此不能作為半導(dǎo)體。研究人員認為，將氫原子“粘附”在石墨烯表面，就能形成帶隙。

據(jù)sciencedaily.com網(wǎng)站5月3日報道，《科學(xué)》雜志近日發(fā)表論文顯示，德國哥廷根大學(xué)和美國加州理工學(xué)院的研究人員合作制作了一部“原子級電影”，展示了氫原子與石墨烯之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)可能是迄今觀察到的最快反應(yīng)之一。相關(guān)成果發(fā)布于《科學(xué)》雜志。

為了研究兩者之間的化學(xué)反應(yīng)，研究人員利用氫原子轟擊了石墨烯。哥廷根大學(xué)教授AlecWodtke解釋說：“氫原子的行為與我們的預(yù)期大相徑庭。氫原子并未立刻彈開，而是短暫地‘粘’在了碳原子上，然后才從表面彈回。氫原子和碳原子之間可能形成了一種短期化學(xué)鍵。”另一件讓科學(xué)家們感到不解的事情是：氫原子在撞擊石墨烯之前曾攜帶了大量能量，但當它們離開石墨烯表面時能量卻所剩無幾了。氫原子在碰撞中失去了大部分能量，那么能量去哪里了呢？

為了解釋這些令人費解的實驗觀測結(jié)果，研究人員AlexanderKandratsenka與加州理工學(xué)院的同仁們合作開發(fā)了理論模型，并在計算機上進行了模擬。結(jié)果顯示，理論模型與實際觀察結(jié)果吻合良好。在Kandratsenka等開發(fā)的理論模型的幫助下，研究人員最終得以重現(xiàn)形成瞬態(tài)化學(xué)鍵時原子的超高速運動情況。Kandratsenka說：“瞬態(tài)化學(xué)鍵的持續(xù)時間僅約10飛秒。這使得氫原子與石墨烯的反應(yīng)成為直觀觀察下的最快化學(xué)反應(yīng)之一。在這短暫的10飛秒內(nèi)，氫原子幾乎將所有的能量轉(zhuǎn)移給碳原子。此外，它還觸發(fā)了聲波——這與將石頭丟進水中的情況很相似。聲波的作用在于，研究人員認為氫原子和石墨烯碳原子的結(jié)合比預(yù)期更容易。”

Kandratsenka等的研究成果為化學(xué)鍵合提供了具有根本性的新見解。由此對工業(yè)產(chǎn)生的積極作用也是顯著的。將氫原子“粘”在石墨烯上，可以使石墨烯產(chǎn)生帶隙，從而將其轉(zhuǎn)化為有用的半導(dǎo)體。

哥廷根大學(xué)研究人員OliverBunermann透露，建立和運行這些實驗需要付出巨大的努力。他說：“我們必須在超高真空下進行實驗，并在實驗前使用大量的激光系統(tǒng)來制備氫原子，然后在碰撞后進行探測。哥廷根大學(xué)等機構(gòu)的優(yōu)秀技術(shù)人員是實驗成功的關(guān)鍵。”