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    比預期更粘:氫氣在10飛秒內與石墨烯結合

    石墨烯被認為是一種非凡的材料。它由純碳組成,只有一個原子層厚。然而,它非常穩定,堅固,甚至導電。然而,對于電子產品,石墨烯仍然具有重要的缺點。它不能用作半導體,因為它沒有帶隙。通過將氫原子粘附到石墨烯上,可以形成帶隙?,F在,來自哥廷根和帕薩迪納(美國)的研究人員制作了一部“原子級電影”,展示了氫原子如何與石墨烯化學結合,這是迄今為止研究過的最快的反應之一。

    國際研究小組用氫原子轟擊石墨烯。“氫原子的表現與我們預期的完全不同,”生物物理化學馬克斯普朗克研究所(MPI)表面動力學系主任,哥廷根大學物理化學研究所教授Alec Wodtke說。“不是立即飛走,氫原子'短暫地'粘附'到碳原子上,然后從表面反彈。它們形成一種瞬態化學鍵,”Wodtke報道。還有一些讓科學家感到驚訝的事情:氫原子在撞擊石墨烯之前有很多能量,但是當它們飛走時,它們并沒有多少能量。氫原子在碰撞時會失去大部分能量,但它會在哪里消失?

    為了解釋這些令人驚訝的實驗觀察,哥廷根MPI研究員Alexander Kandratsenka與加州理工學院的同事們合作開發了理論方法,他們在計算機上進行了模擬,然后與他們的實驗進行了比較。通過這些與實驗觀察結果非常吻合的理論模擬,研究人員能夠再現原子的超快速運動,形成瞬態化學鍵。“這種粘合力僅持續約10飛秒 - 十億分之一秒。這使其成為有史以來最快的化學反應之一,”Kandratsenka解釋說。

    “在這十個飛秒期間,氫原子幾乎可以將所有能量轉移到石墨烯的碳原子上,并觸發從氫原子撞擊石墨烯表面向外傳播的聲波,就像一塊落下的石頭Kandratsenka說:“進入水中并觸發波浪。” 聲波有助于這樣一個事實,氫原子可以更容易地與碳原子結合,這比科學家們預期和以前的模型所預測的那樣。

    研究團隊的結果為化學鍵合提供了全新的見解。此外,它們對工業界非常感興趣。將氫原子粘附到石墨烯上可以產生帶隙,使其成為有用的半導體,并且在電子學中更加通用。

    哥廷根大學項目組負責人OliverBünermann透露,建立和運行這些實驗所付出的努力是巨大的。“我們必須在超高真空中將它們帶出來,以保持石墨烯表面完全清潔。” 科學家們還必須在實驗前使用大量的激光系統來制備氫原子,并在碰撞后檢測它們。根據Bünermann的說法,生物物理化學MPI和哥廷根大學研討會的優秀技術人員對項目的成功至關重要。

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