石墨烯被认为是一种非凡的材料。它由纯碳组成，只有一个原子层厚。然而，它非常稳定，坚固，甚至导电。然而，对于电子产品，石墨烯仍然具有重要的缺点。它不能用作半导体，因为它没有带隙。通过将氢原子粘附到石墨烯上，可以形成带隙。现在，来自哥廷根和帕萨迪纳(美国)的研究人员制作了一部“原子级电影”，展示了氢原子如何与石墨烯化学结合，这是迄今为止研究过的最快的反应之一。
国际研究小组用氢原子轰击石墨烯。“氢原子的表现与我们预期的完全不同，”生物物理化学马克斯普朗克研究所(MPI)表面动力学系主任，哥廷根大学物理化学研究所教授Alec Wodtke说。“不是立即飞走，氢原子'短暂地'粘附'到碳原子上，然后从表面反弹。它们形成一种瞬态化学键，”Wodtke报道。还有一些让科学家感到惊讶的事情：氢原子在撞击石墨烯之前有很多能量，但是当它们飞走时，它们并没有多少能量。氢原子在碰撞时会失去大部分能量，但它会在哪里消失?
为了解释这些令人惊讶的实验观察，哥廷根MPI研究员Alexander Kandratsenka与加州理工学院的同事们合作开发了理论方法，他们在计算机上进行了模拟，然后与他们的实验进行了比较。通过这些与实验观察结果非常吻合的理论模拟，研究人员能够再现原子的超快速运动，形成瞬态化学键。“这种粘合力仅持续约10飞秒 - 十亿分之一秒。这使其成为有史以来最快的化学反应之一，”Kandratsenka解释说。
“在这十个飞秒期间，氢原子几乎可以将所有能量转移到石墨烯的碳原子上，并触发从氢原子撞击石墨烯表面向外传播的声波，就像一块落下的石头Kandratsenka说：“进入水中并触发波浪。” 声波有助于这样一个事实，氢原子可以更容易地与碳原子结合，这比科学家们预期和以前的模型所预测的那样。
研究团队的结果为化学键合提供了全新的见解。此外，它们对工业界非常感兴趣。将氢原子粘附到石墨烯上可以产生带隙，使其成为有用的半导体，并且在电子学中更加通用。
哥廷根大学项目组负责人OliverBünermann透露，建立和运行这些实验所付出的努力是巨大的。“我们必须在超高真空中将它们带出来，以保持石墨烯表面完全清洁。” 科学家们还必须在实验前使用大量的激光系统来制备氢原子，并在碰撞后检测它们。根据Bünermann的说法，生物物理化学MPI和哥廷根大学研讨会的优秀技术人员对项目的成功至关重要。