Как дырка в графене ломает воду ✛
Лист графена похож на сетку из углеродных шариков. Если один шарик вынуть, остаётся дырка. Оказалось, что эта дырка работает как двуликий Янус: одна её сторона готова схватить водород, другая — гидроксил. В сухом воздухе молекула воды разрывается на дырке только одним способом, преодолевая высокий барьер, как прыжок через забор. Но если вокруг жидкая вода, забор становится ниже и появляются две калитки.
В жидкой воде дырка разрывает молекулу воды двумя путями. Первый путь оставляет на дырке водород, а гидроксид-ион уходит в воду. Второй путь оставляет на дырке гидроксил, а ион гидроксония уходит в воду. Оба пути требуют меньше энергии, чем в сухом воздухе, потому что вода вокруг стабилизирует заряженные части. После реакции дырка начинает удерживать воду, как губка, и перестаёт её отталкивать.
Это знание поможет управлять смачиваемостью графеновых мембран и электродов. Возвращаясь к образу Януса: одна сторона дырки готова принять водород, другая — гидроксил, и вода выбирает, к какой стороне повернуться, в зависимости от того, сухо вокруг или мокро.
Одиночная вакансия графена — это дирадикал с двумя неспаренными электронами: один на локализованной σ-орбитали, другой на π-орбитали, что делает её похожей на молекулярный карбен. Такая «двуликая» природа позволяет вакансии выступать и как акцептор, и как донор электронной плотности, открывая два разных пути реакции с водой.
В романе Нила Стивенсона «Алмазный век» нанотехнологии используют углеродные структуры для управления химическими процессами на атомном уровне. Хотя там речь идёт о более сложных системах, идея точечных дефектов как активных центров химических превращений перекликается с ролью графеновых вакансий в диссоциации воды.