Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется. Дефект начинает работать как двуликий Янус: он может принять либо водород, либо гидроксил, и вода выбирает путь в зависимости от окружения.

В газовой фазе вода диссоциирует через единственное согласованное переходное состояние с барьером 28.4 ккал/моль, образуя интермедиат Hydroxy-SV. Это как если бы одинокая молекула прыгала через высокий забор. Но в растворе забор понижается и появляются две калитки. Первый, основной, путь приводит к образованию SV-H и гидроксид-иона в растворе с барьером 21.9 ккал/моль. Второй, кислотный, даёт SV-OH и ион гидроксония с барьером 23.7 ккал/моль. Оба барьера ниже газофазного, потому что растворитель стабилизирует заряженные фрагменты.

Конечный продукт SV-Ketone лежит на 74 ккал/моль ниже реагентов в растворе, по сравнению с 78 ккал/моль в газовой фазе. Анализ времён удержания воды показал, что Hydroxy-SV удерживает воду 55 пс, SV-Ketone — 27 пс, тогда как голая вакансия и SV-Pyran сравнимы с чистым графеном (единицы пикосекунд). Это значит, что после реакции дефект перестаёт отталкивать воду и начинает её притягивать, как губка.

Раньше было неясно, как дефекты влияют на диссоциацию воды в условиях явного растворителя. Теперь показано, что сольватация качественно меняет путь реакции: вместо одного согласованного канала возникают два ионных пути, стабилизированных растворителем. Это подчёркивает необходимость явного учёта растворителя при моделировании реакций на границах раздела 2D-материалов.

Результаты могут быть использованы для управления смачиваемостью и реакционной способностью графеновых мембран и электродов через контролируемое создание дефектов. Возвращаясь к образу Януса: одна сторона дефекта готова принять водород, другая — гидроксил, и вода выбирает, к какой стороне повернуться, в зависимости от того, сухо вокруг или мокро.