高能氢原子可与石墨烯产生瞬态键合学术资讯

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氢原子（蓝色）“撞击”石墨烯表面，与碳原子（红色）形成超快键合，其携带的能量首先被临近碳原子（橙色和黄色）吸收，然后以声波的形式传递到石墨烯表面。

石墨烯被誉为“一种非凡的材料”：由纯碳构成，仅单原子层厚度，然而却非常稳定，还能导电。对于电子产品而言，石墨烯的最大缺陷在于它没有带隙，因此不能作为半导体。研究人员认为，将氢原子“粘附”在石墨烯表面，就能形成带隙。

据sciencedaily.com网站5月3日报道，《科学》杂志近日发表论文显示，德国哥廷根大学和美国加州理工学院的研究人员合作制作了一部“原子级电影”，展示了氢原子与石墨烯之间发生的化学反应。该反应可能是迄今观察到的最快反应之一。相关成果发布于《科学》杂志。

为了研究两者之间的化学反应，研究人员利用氢原子轰击了石墨烯。哥廷根大学教授Alec Wodtke解释说：“氢原子的行为与我们的预期大相径庭。氢原子并未立刻弹开，而是短暂地‘粘’在了碳原子上，然后才从表面弹回。氢原子和碳原子之间可能形成了一种短期化学键。”另一件让科学家们感到不解的事情是：氢原子在撞击石墨烯之前曾携带了大量能量，但当它们离开石墨烯表面时能量却所剩无几了。氢原子在碰撞中失去了大部分能量，那么能量去哪里了呢？

为了解释这些令人费解的实验观测结果，研究人员Alexander Kandratsenka与加州理工学院的同仁们合作开发了理论模型，并在计算机上进行了模拟。结果显示，理论模型与实际观察结果吻合良好。在Kandratsenka等开发的理论模型的帮助下，研究人员最终得以重现形成瞬态化学键时原子的超高速运动情况。Kandratsenka说：“瞬态化学键的持续时间仅约10飞秒。这使得氢原子与石墨烯的反应成为直观观察下的最快化学反应之一。在这短暂的10飞秒内，氢原子几乎将所有的能量转移给碳原子。此外，它还触发了声波——这与将石头丢进水中的情况很相似。声波的作用在于，研究人员认为氢原子和石墨烯碳原子的结合比预期更容易。”

Kandratsenka等的研究成果为化学键合提供了具有根本性的新见解。由此对工业产生的积极作用也是显著的。将氢原子“粘”在石墨烯上，可以使石墨烯产生带隙，从而将其转化为有用的半导体。

哥廷根大学研究人员Oliver Bunermann透露，建立和运行这些实验需要付出巨大的努力。他说：“我们必须在超高真空下进行实验，并在实验前使用大量的激光系统来制备氢原子，然后在碰撞后进行探测。哥廷根大学等机构的优秀技术人员是实验成功的关键。”

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编译：德克斯特

审稿：三水

责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190503123126.htm