Comment un trou dans le graphène casse l'eau
Une feuille de graphène ressemble à un treillis de billes de carbone. Retirez une bille, et il reste un trou. Or ce trou se comporte comme un Janus à deux visages : d'un côté il est prêt à saisir l'hydrogène, de l'autre l'hydroxyle. Dans l'air sec, la molécule d'eau ne se casse sur le trou que d'une seule façon, en franchissant une barrière élevée, comme un saut par-dessus une clôture. Mais si de l'eau liquide entoure le trou, la clôture s'abaisse et deux portillons apparaissent.
Dans l'eau liquide, le trou brise la molécule d'eau par deux chemins. Le premier laisse un hydrogène sur le trou, tandis qu'un ion hydroxyde part dans l'eau. Le second laisse un hydroxyle sur le trou, tandis qu'un ion hydronium part dans l'eau. Les deux chemins demandent moins d'énergie que dans l'air sec, parce que l'eau alentour stabilise les particules chargées. Après la réaction, le trou se met à retenir l'eau comme une éponge et cesse de la repousser.
Ces connaissances aideront à maîtriser la mouillabilité des membranes et des électrodes en graphène. Pour revenir à l'image de Janus : un côté du trou est prêt à accueillir l'hydrogène, l'autre l'hydroxyle, et l'eau choisit vers quel côté se tourner selon que l'environnement est sec ou mouillé.
Une lacune unique de graphène est un diradical avec deux électrons non appariés : l'un sur une orbitale σ localisée, l'autre sur une orbitale π, ce qui la rend semblable à un carbène moléculaire. Cette nature « à deux visages » permet à la lacune d'agir à la fois comme accepteur et comme donneur de densité électronique, ouvrant deux voies réactionnelles différentes avec l'eau.
Dans le roman de Neal Stephenson « L'Âge de diamant », les nanotechnologies utilisent des structures carbonées pour contrôler les processus chimiques à l'échelle atomique. Bien qu'il s'agisse de systèmes plus complexes, l'idée de défauts ponctuels comme centres actifs de transformations chimiques fait écho au rôle des lacunes de graphène dans la dissociation de l'eau.