Grafen är känt som världens tunnaste material på grund av sin 2D-struktur, där varje ark bara är en kolatom tjockt, tillåta varje atom att delta i en kemisk reaktion från två sidor. Grafenflingor kan ha en mycket stor andel kantatomer, som alla har en speciell kemisk reaktivitet. Dessutom, kemiskt aktiva tomrum skapade av saknade atomer är en ytdefekt hos grafenark. Dessa strukturella defekter och kanter spelar en viktig roll i kolkemi och fysik, eftersom de ändrar den kemiska reaktiviteten hos grafen. Faktiskt, kemiska reaktioner har upprepade gånger visat sig gynnas på dessa defekta platser.

Interstellära molekylära moln består till övervägande del av väte i molekylär form (H2), men innehåller också en liten andel dammpartiklar, mestadels i form av kolnanostrukturer, kallas polyaromatiska kolväten (PAH). Dessa moln kallas ofta "stjärna plantskolor" eftersom deras låga temperatur och höga densitet tillåter gravitationen att lokalt kondensera materia på ett sådant sätt att det initierar H-fusion, kärnreaktionen i hjärtat av varje stjärna. Grafenbaserade material, framställd från exfoliering av grafitoxid, används som en modell av interstellärt koldamm eftersom de innehåller en relativt stor mängd atomära defekter, antingen vid deras kanter eller på deras yta. Dessa defekter tros upprätthålla den kemiska reaktionen Eley-Rideal, som rekombinerar två H-atomer till en H2-molekyl.

Observation av interstellära moln i ogästvänliga områden i rymden, inklusive i direkt närhet av jättestjärnor, ställer frågan om ursprunget till stabiliteten för väte i molekylär form (H2). Denna fråga står sig eftersom molnen ständigt sköljs ut av intensiv strålning, därför knäcker vätemolekylerna till atomer. Astrokemister föreslår att den kemiska mekanismen som är ansvarig för rekombinationen av atomärt H till molekylärt H2 katalyseras av kolflingor i interstellära moln. Deras teorier utmanas av behovet av ett mycket effektivt ytkemi-scenario för att förklara den observerade jämvikten mellan dissociation och rekombination. De var tvungna att introducera mycket reaktiva platser i sina modeller så att infångningen av ett atomärt H i närheten sker utan misslyckande. Dessa webbplatser, i form av atomära defekter vid ytan eller kanten av kolflingorna, bör vara sådan att C-H-bindningen som bildas därefter gör att H-atomen lätt kan frigöras för att rekombineras med en annan H-atom som flyger i närheten.

Ett samarbete mellan Institut Laue-Langevin (ILL), Frankrike, universitetet i Parma, Italien, och ISIS neutron- och muonkälla, STORBRITANNIEN, kombinerad neutronspektroskopi med densitet funktionell teori (DFT) molekylär dynamik simuleringar för att karakterisera den lokala miljön och vibrationer av väteatomer kemiskt bundna vid ytan av väsentligen defekta grafenflingor. Ytterligare analyser utfördes med användning av muonspektroskopi (muSR) och kärnmagnetisk resonans (NMR). Eftersom tillgången på proverna är mycket låg, dessa mycket specifika tekniker var nödvändiga för att studera proverna; neutronspektroskopi är mycket känslig för väte och gjorde det möjligt att samla in exakta data vid små koncentrationer.

För första gången någonsin, denna studie visade "kvanttunnelering" i dessa system, tillåter H-atomer bundna till C-atomer att utforska relativt långa avstånd vid temperaturer så låga som de i mellanliggande moln. Processen innebär att väte "kvanthoppar" från en kolatom till en annan i dess direkta närhet, tunnlar genom energibarriärer som inte kunde övervinnas med tanke på bristen på värme i den interstellära molnmiljön. Denna rörelse upprätthålls av fluktuationerna i grafenstrukturen, som för H-atomen in i instabila områden och katalyserar rekombinationsprocessen genom att tillåta frisättningen av den kemiskt bundna H-atomen. Därför, man tror att kvanttunnelering underlättar reaktionen för bildning av molekylär H2.

ILL-forskare och specialist på kolnanostruktur, Stéphane Rols säger:"Frågan om hur molekylärt väte bildas vid låga temperaturer i interstellära moln har alltid varit en drivkraft inom astrokemiforskning. Vi är stolta över att ha kombinerat spektroskopisk expertis med neutronernas känslighet för att identifiera det spännande kvanttunnelfenomenet som en möjlig mekanism bakom bildandet av H2; dessa observationer är viktiga för att främja vår förståelse av universum."