Les monocouches de graphène peuvent être développées par épitaxie sur de nombreuses surfaces métalliques monocristallines sous ultra-vide. D'un côté, ces monocouches protègent les surfaces métalliques hautement réactives des contaminants, mais de l'autre côté, l'empilement des couches sous forme de carbone graphitique bloque l'activité des catalyseurs de métaux de transition. L'inertie du graphite et le blocage physique des sites actifs empêchent les réactions chimiques de se produire à la surface du métal.

Les chercheurs dirigés par Fernando Martín, Emilio Pérez et Amadeo Vázquez de Parga (IMDEA Nanociencia et Universidad Autónoma de Madrid) ont démontré que des monocouches de graphène nanostructurées sur une surface métallique favorisent une réaction chimique qui aurait peu de chances de se produire dans des conditions non catalysées.

Un cristal de ruthénium, Ru(0001), a été recouvert d'une couche continue de graphène épitaxié. En raison de la différence dans les paramètres de réseau, une nouvelle superpériodicité apparaît sur la couche de graphène et module ses propriétés électroniques. Profitant de la modulation, la surface a été fonctionnalisée avec des groupements cyanométhylène (-CH 2 CN), lié de manière covalente au centre des zones compactes hexagonales dans la cellule unitaire de Moiré, et dopé au TCNQ (7, 7, 8, 8-tétracyano-p-quinodiméthane). Le TCNQ est une molécule accepteur d'électrons utilisée pour doper les films de graphène en p.

Lorsqu'il est déposé sur la surface du graphène, cette molécule est absorbée sur une position de pont entre deux ondulations. Ici, il convient de noter le rôle important de la surface et de la couche de graphène dans la catalyse de la réaction de TCNQ et -CH 2 CN. La réaction de TCNQ avec CH 3 CN (les réactifs vierges sont en phase gazeuse) plus la perte d'un atome d'hydrogène est très peu probable en raison de la barrière énergétique élevée (environ 5 eV). La présence de la couche de graphène réduit cette barrière énergétique d'un facteur 5, favorisant ainsi la formation des produits.

Le graphène nanostructuré favorise la réaction de trois manières :d'abord, il détient le -CH 2 CN en place ; seconde, il permet un transfert de charge efficace du ruthénium; et troisième, il empêche l'absorption du TCNQ par le ruthénium permettant à la molécule de diffuser à la surface. "

Une réaction propre similaire sur le ruthénium vierge n'est pas possible, car le caractère réactif du ruthénium conduit à l'absorption de CH 3 CN et entrave la mobilité des molécules de TCNQ une fois absorbées à la surface », explique Amadeo. Les résultats confirment le caractère catalytique du graphène dans cette réaction. « Une telle sélectivité serait difficile à obtenir en utilisant d'autres formes de carbone, " confirme Emilio.

Plus loin, les molécules de TCNQ ont été injectées avec des électrons à l'aide du microscope à effet tunnel (STM). Cette manipulation individuelle des molécules induit une rupture de liaison C-C, conduisant ainsi à la récupération des réactifs initiaux :CH 2 CN-graphène et TCNQ. Le processus est réversible et reproductible au niveau d'une seule molécule. Comme les chercheurs ont observé une résonance Kondo, la réversibilité du processus peut être considérée comme un interrupteur magnétique réversible contrôlé par une réaction chimique.