Il grafene è noto come il materiale più sottile al mondo grazie alla sua struttura 2-D, in cui ogni foglio ha uno spessore di un solo atomo di carbonio, permettendo a ciascun atomo di impegnarsi in una reazione chimica da due lati. I fiocchi di grafene possono avere una proporzione molto grande di atomi di bordo, tutti hanno una particolare reattività chimica. Inoltre, i vuoti chimicamente attivi creati da atomi mancanti sono un difetto superficiale dei fogli di grafene. Questi difetti strutturali e spigoli giocano un ruolo vitale nella chimica e nella fisica del carbonio, poiché alterano la reattività chimica del grafene. Infatti, è stato ripetutamente dimostrato che le reazioni chimiche sono favorite in questi siti di difetto.

Le nubi molecolari interstellari sono composte prevalentemente da idrogeno in forma molecolare (H2), ma contengono anche una piccola percentuale di particelle di polvere per lo più sotto forma di nanostrutture di carbonio, detti idrocarburi poliaromatici (IPA). Queste nuvole sono spesso chiamate "vivaio di stelle" poiché la loro bassa temperatura e alta densità consente alla gravità di condensare localmente la materia in modo tale da avviare la fusione H, la reazione nucleare al centro di ogni stella. Materiali a base di grafene, preparato dall'esfoliazione dell'ossido di grafite, sono usati come modello di polvere di carbonio interstellare in quanto contengono una quantità relativamente grande di difetti atomici, o ai loro bordi o sulla loro superficie. Si pensa che questi difetti sostengano la reazione chimica di Eley-Rideal, che ricombina due atomi di H in una molecola di H2.

L'osservazione delle nubi interstellari in regioni inospitali dello spazio, anche nelle immediate vicinanze di stelle giganti, pone la questione dell'origine della stabilità dell'idrogeno in forma molecolare (H2). Questa domanda sorge perché le nuvole vengono costantemente lavate via da radiazioni intense, quindi spezzando le molecole di idrogeno in atomi. Gli astrochimici suggeriscono che il meccanismo chimico responsabile della ricombinazione dell'H atomico in H2 molecolare è catalizzato da scaglie di carbonio nelle nubi interstellari. Le loro teorie sono messe in discussione dalla necessità di uno scenario di chimica di superficie molto efficiente per spiegare l'equilibrio osservato tra dissociazione e ricombinazione. Hanno dovuto introdurre siti altamente reattivi nei loro modelli in modo che la cattura di un H atomico nelle vicinanze avvenga senza fallo. Questi siti, sotto forma di difetti atomici sulla superficie o sul bordo dei fiocchi di carbonio, dovrebbe essere tale che il legame C-H formato successivamente consenta all'atomo di H di essere rilasciato facilmente per ricombinarsi con un altro atomo di H che vola nelle vicinanze.

Una collaborazione tra l'Institut Laue-Langevin (ILL), Francia, l'Università di Parma, Italia, e la sorgente di neutroni e muoni dell'ISIS, UK, spettroscopia di neutroni combinata con simulazioni di dinamica molecolare della teoria del funzionale della densità (DFT) al fine di caratterizzare l'ambiente locale e le vibrazioni degli atomi di idrogeno legati chimicamente alla superficie dei fiocchi di grafene sostanzialmente difettosi. Ulteriori analisi sono state eseguite utilizzando la spettroscopia muonica (muSR) e la risonanza magnetica nucleare (NMR). Poiché la disponibilità dei campioni è molto bassa, queste tecniche altamente specifiche erano necessarie per studiare i campioni; la spettroscopia di neutroni è altamente sensibile all'idrogeno e ha permesso di raccogliere dati accurati a piccole concentrazioni.

Per la prima volta in assoluto, questo studio ha mostrato il "tunneling quantistico" in questi sistemi, permettendo agli atomi di H legati agli atomi di C di esplorare distanze relativamente lunghe a temperature basse come quelle delle nuvole interstiziali. Il processo prevede il "quantum hopping" dell'idrogeno da un atomo di carbonio a un altro nelle sue immediate vicinanze, tunneling attraverso barriere energetiche che non è stato possibile superare data la mancanza di calore nell'ambiente delle nuvole interstellari. Questo movimento è sostenuto dalle fluttuazioni della struttura del grafene, che portano l'atomo di H in regioni instabili e catalizzano il processo di ricombinazione consentendo il rilascio dell'atomo di H legato chimicamente. Perciò, si ritiene che il tunneling quantistico faciliti la reazione per la formazione di H2 molecolare.

Scienziato ILL e specialista in nanostrutture di carbonio, Stéphane Rols afferma:"La domanda su come si forma l'idrogeno molecolare alle basse temperature nelle nuvole interstellari è sempre stata un fattore trainante nella ricerca astrochimica. Siamo orgogliosi di aver combinato l'esperienza della spettroscopia con la sensibilità dei neutroni per identificare l'intrigante fenomeno del tunneling quantistico come un possibile meccanismo dietro la formazione di H2; queste osservazioni sono significative per approfondire la nostra comprensione dell'universo."