Cómo un agujero en el grafeno rompe el agua
Una lámina de grafeno se parece a una red de bolitas de carbono. Si se saca una bolita, queda un agujero. Resulta que ese agujero funciona como un Jano de dos caras: uno de sus lados está listo para atrapar hidrógeno y el otro, hidroxilo. En aire seco, la molécula de agua se rompe en el agujero de una sola forma, salvando una barrera alta, como un salto por encima de una valla. Pero si alrededor hay agua líquida, la valla baja y aparecen dos portillas.
En agua líquida, el agujero rompe la molécula de agua por dos caminos. El primer camino deja hidrógeno en el agujero y el ion hidróxido se marcha al agua. El segundo camino deja hidroxilo en el agujero y el ion hidronio se marcha al agua. Ambos caminos requieren menos energía que en aire seco, porque el agua de alrededor estabiliza las partículas cargadas. Después de la reacción, el agujero empieza a retener agua, como una esponja, y deja de repelerla.
Este conocimiento ayudará a controlar la mojabilidad de las membranas y los electrodos de grafeno. Volviendo a la imagen de Jano: un lado del agujero está listo para recibir hidrógeno y el otro, hidroxilo, y el agua elige hacia qué lado girarse según si alrededor está seco o mojado.
Una vacante única de grafeno es un birradical con dos electrones desapareados: uno en un orbital σ localizado y otro en un orbital π, lo que la hace parecida a un carbeno molecular. Esa naturaleza «de dos caras» permite que la vacante actúe a la vez como aceptora y como donante de densidad electrónica, y abre dos rutas de reacción distintas con el agua.
En la novela «La era del diamante», de Neal Stephenson, la nanotecnología utiliza estructuras de carbono para controlar procesos químicos a escala atómica. Aunque allí se habla de sistemas más complejos, la idea de los defectos puntuales como centros activos de transformaciones químicas conecta con el papel de las vacantes de grafeno en la disociación del agua.