Graphens mångsidiga elektroniska, kemiska och mekaniska egenskaper har placerat det i centrum för fysikalisk forskning, med uppmärksamhet för närvarande inriktad på dess potentiella tillämpningar. Beräkningsexperter bidrar med unika insikter genom att undersöka grafenbaserade strukturer i kisel. Genom att undersöka strukturen och egenskaperna hos grafon - grafen som hydreras på ena sidan - har ett forskargrupp från Singapore och USA tillhandahållit en potentiell mall för packning av molekyler. Dessa strukturer kan vara användbara för att fånga molekyler för energilagring eller biologiska tillämpningar.

Under ledning av Chilla Damodara Reddy från A*STAR Institute of High Performance Computing, Singapore, forskargruppen konstruerade beräkningsmässigt ett stort fyrkantigt grafenark med väteatomer kovalent bundna över varannan kolatom för att bilda en grafondomän. Beroende på domänens storlek, grafonregionerna förvrängdes till tre distinkta tredimensionella arkitekturer. Små domäner förvandlades till en kepsform, medan större domäner resulterade i att gränssnitt mellan grafen och grafonesegment krökade i motsatta riktningar med mitten av grafonplåstret kvar platt. En tredjedel, mellanliggande, morfologi visade böljningar både vid grafon/grafen -gränssnittet och i mitten av den hydrogenerade grafonen. En 5% gitterfel mellan grafen och grafon orsakade de tredimensionella snedvridningarna.

Alla strukturer var stabila långt över rumstemperatur. Reddy och medarbetare observerade också så kallade 'energibrunnar' i grafondomänerna, som de testade för att avgöra om de kunde fånga molekyler eller inte. De använde fullerener som sina modellmolekyler.

Forskarna utformade material med grafondomäner på lämpligt avstånd från varandra och med lämplig diameter för att optimera fångst av flera molekyler i energibrunnarna. De föreslog också ett minimiavstånd mellan domänerna för att förhindra instabilitet mellan instängda molekyler i angränsande domäner.

Reddy och hans medarbetare utökade arbetet för att undersöka möjligheten att fånga flera fullerener inom en grafondomän. De visade att en domän med en diameter på 2 nanometer kunde fånga tre fullerener i en triangulär uppsättning, medan en med en diameter på 4 nanometer kunde fånga tolv molekyler i olika böljningar av grafondomänen (se bild). Dessa strukturer var också stabila vid rumstemperatur; även om molekylerna vid mycket höga temperaturer - över 700 kelvin - kunde undkomma energibrunnens gränser.

"Våra grafenbaserade strukturer ger en potentiell mall för packning av andra molekyler, såsom väte- och metanolmolekyler, som kan användas i energitillämpningar, "säger forskarna. De kan också fånga upp proteiner och DNA för användning i biologiska tillämpningar.