Le graphène est connu comme le matériau le plus fin au monde en raison de sa structure 2D, dans laquelle chaque feuille n'a qu'un atome de carbone d'épaisseur, permettant à chaque atome de s'engager dans une réaction chimique des deux côtés. Les flocons de graphène peuvent avoir une très grande proportion d'atomes de bord, qui ont tous une réactivité chimique particulière. En outre, les vides chimiquement actifs créés par les atomes manquants sont un défaut de surface des feuilles de graphène. Ces défauts structurels et ces bords jouent un rôle vital dans la chimie et la physique du carbone, car ils modifient la réactivité chimique du graphène. En réalité, il a été démontré à plusieurs reprises que les réactions chimiques étaient favorisées au niveau de ces sites de défauts.

Les nuages ​​moléculaires interstellaires sont majoritairement composés d'hydrogène sous forme moléculaire (H2), mais contiennent également un faible pourcentage de particules de poussière principalement sous forme de nanostructures de carbone, appelés hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Ces nuages ​​sont souvent appelés « pépinières d'étoiles » car leur basse température et leur haute densité permettent à la gravité de condenser localement la matière de telle sorte qu'elle initie la fusion de H, la réaction nucléaire au cœur de chaque étoile. Matériaux à base de graphène, préparé à partir de l'exfoliation d'oxyde de graphite, sont utilisés comme modèle de poussière de carbone interstellaire car ils contiennent une quantité relativement importante de défauts atomiques, soit sur leurs bords, soit sur leur surface. On pense que ces défauts entretiennent la réaction chimique Eley-Rideal, qui recombine deux atomes H en une molécule H2.

L'observation des nuages ​​interstellaires dans les régions inhospitalières de l'espace, y compris à proximité directe d'étoiles géantes, pose la question de l'origine de la stabilité de l'hydrogène sous forme moléculaire (H2). Cette question se pose parce que les nuages ​​sont constamment lessivés par un rayonnement intense, d'où le craquage des molécules d'hydrogène en atomes. Les astrochimistes suggèrent que le mécanisme chimique responsable de la recombinaison du H atomique en H2 moléculaire est catalysé par les flocons de carbone dans les nuages ​​interstellaires. Leurs théories sont remises en cause par la nécessité d'un scénario de chimie de surface très efficace pour expliquer l'équilibre observé entre la dissociation et la recombinaison. Ils ont dû introduire des sites hautement réactifs dans leurs modèles pour que la capture d'un H atomique à proximité se produise sans faute. Ces sites, sous forme de défauts atomiques à la surface ou au bord des flocons de carbone, doit être telle que la liaison C-H formée par la suite permette à l'atome H d'être libéré facilement pour se recombiner avec un autre atome H volant à proximité.

Une collaboration entre l'Institut Laue-Langevin (ILL), La France, l'Université de Parme, Italie, et la source de neutrons et de muons ISIS, ROYAUME-UNI, spectroscopie neutronique combinée avec des simulations de dynamique moléculaire de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) afin de caractériser l'environnement local et les vibrations des atomes d'hydrogène liés chimiquement à la surface de flocons de graphène substantiellement défectueux. Des analyses supplémentaires ont été effectuées en utilisant la spectroscopie des muons (muSR) et la résonance magnétique nucléaire (RMN). La disponibilité des échantillons étant très faible, ces techniques très spécifiques étaient nécessaires pour étudier les échantillons; la spectroscopie neutronique est très sensible à l'hydrogène et a permis de recueillir des données précises à de faibles concentrations.

Pour la toute première fois, cette étude a montré un « effet tunnel quantique » dans ces systèmes, permettant aux atomes H liés aux atomes C d'explorer des distances relativement longues à des températures aussi basses que celles des nuages ​​interstitiels. Le processus implique un « saut quantique » d'hydrogène d'un atome de carbone à un autre dans son voisinage direct, tunnel à travers des barrières énergétiques qui n'ont pas pu être surmontées étant donné le manque de chaleur dans l'environnement des nuages ​​interstellaires. Ce mouvement est soutenu par les fluctuations de la structure du graphène, qui amènent l'atome H dans des régions instables et catalysent le processus de recombinaison en permettant la libération de l'atome H chimiquement lié. Par conséquent, on pense que l'effet tunnel quantique facilite la réaction de formation de H2 moléculaire.

scientifique de l'ILL et spécialiste des nanostructures de carbone, Stéphane Rols déclare :« La question de savoir comment l'hydrogène moléculaire se forme à basse température dans les nuages ​​interstellaires a toujours été un moteur de la recherche en astrochimie. Nous sommes fiers d'avoir combiné l'expertise en spectroscopie avec la sensibilité des neutrons pour identifier le phénomène un mécanisme possible derrière la formation de H2 ; ces observations sont importantes pour approfondir notre compréhension de l'univers. »