L'elettronica versatile del grafene, le proprietà chimiche e meccaniche lo hanno posto al centro della ricerca nelle scienze fisiche, con l'attenzione attualmente focalizzata sulle sue potenziali applicazioni. Gli esperti computazionali stanno contribuendo a intuizioni uniche studiando le strutture a base di grafene in silico. Esplorando la struttura e le proprietà del grafene, il grafene idrogenato su un lato, un team di ricerca di Singapore e degli Stati Uniti ha fornito un potenziale modello per l'imballaggio delle molecole. Queste strutture potrebbero essere utili per intrappolare molecole per l'immagazzinamento di energia o per applicazioni biologiche.

Guidato da Chilla Damodara Reddy dell'A*STAR Institute of High Performance Computing, Singapore, il team di ricerca ha costruito computazionalmente un grande foglio quadrato di grafene con atomi di idrogeno legati in modo covalente sopra ogni altro atomo di carbonio per formare un dominio di grafene. A seconda delle dimensioni del dominio, le regioni del grafone distorte in tre distinte architetture tridimensionali. Piccoli domini si sono trasformati in una forma a cappuccio, mentre i domini più grandi hanno portato all'interfacciamento di segmenti di grafene e grafone che si curvavano in direzioni opposte con il centro della patch di grafone che rimaneva piatto. Un terzo, intermedio, la morfologia ha mostrato ondulazioni sia all'interfaccia grafene/grafene che al centro del grafone idrogenato. Un disallineamento del reticolo del 5% tra grafene e grafone ha causato le distorsioni tridimensionali.

Tutte le strutture erano stabili ben al di sopra della temperatura ambiente. Reddy e collaboratori hanno anche osservato i cosiddetti "pozzi di energia" nei domini del grafone, che hanno testato per determinare se potevano o meno intrappolare le molecole. Hanno usato i fullereni come molecole modello.

I ricercatori hanno progettato materiali con domini di grafone a una distanza adeguata e di diametro appropriato per ottimizzare l'intrappolamento di più molecole all'interno dei pozzi energetici. Hanno anche proposto una distanza minima tra i domini per prevenire l'instabilità tra le molecole intrappolate dei domini vicini.

Reddy e i suoi collaboratori hanno esteso il lavoro per esplorare la possibilità di intrappolare più fullereni all'interno di un dominio grafonico. Hanno dimostrato che un dominio con un diametro di 2 nanometri potrebbe intrappolare tre fullereni in una matrice triangolare, mentre uno con un diametro di 4 nanometri potrebbe intrappolare dodici molecole in diverse ondulazioni del dominio del grafone (vedi immagine). Queste strutture erano stabili anche a temperatura ambiente; sebbene a temperature molto elevate, superiori a 700 kelvin, le molecole potrebbero sfuggire ai confini del pozzo energetico.

"Le nostre strutture a base di grafene forniscono un potenziale modello per l'imballaggio di altre molecole, come molecole di idrogeno e metanolo, che potrebbe essere utilizzato in applicazioni energetiche, " affermano i ricercatori. Potrebbero anche intrappolare proteine ​​e DNA da utilizzare in applicazioni biologiche.