I protoni, particelle subatomiche con carica elettrica positiva, sono una delle prime particelle che si sono formate dopo l'inizio dell'universo e sono un costituente di ogni atomo esistente oggi. Il movimento dei protoni svolge un ruolo chiave nei processi di conversione dell'energia, come la fotosintesi e la respirazione, nei sistemi biologici. Inoltre, la conduzione protonica è un fattore importante per le celle a combustibile a idrogeno, che sono spesso propagandate come la fonte di energia pulita ideale per la prossima generazione.

L'elevata conduzione protonica osservata in biomateriali come zucchero e derivati ​​proteici è attribuita alla presenza di gruppi funzionali donatori di protoni (sostituenti in una molecola che ne regola le reazioni chimiche caratteristiche). Però, l'esatto meccanismo di trasporto del protone in questi materiali non è chiaramente compreso (ad esempio, se i protoni preferiscono fluire lungo la superficie del biomateriale, cioè il trasporto interfacciale, o attraverso la massa). Inoltre, non è chiaro come la concentrazione del gruppo funzionale possa influenzare le vie di trasporto dei protoni.

In questo contesto, in un nuovo studio recentemente pubblicato sulla rivista Elettrochimica , un team di ricercatori dal Giappone, guidato da Assoc.Prof. Yuki Nagao dal Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e Athchaya Suwansoontorn, un dottorato di ricerca studente presso JAIST, nonché Assoc.Prof. Katsuhiro Yamamoto del Nagoya Institute of Technology, Prof. Shusaku Nagano della Rikkyo University e Prof. Jun Matsui della Yamagata University, deciso di esplorare come la conduzione protonica è stata influenzata nei polimeri a base di stirene con il cambiamento della concentrazione di acido carbossilico, un acido organico donatore di protoni che si trova comunemente nei biomateriali. Suwansoontorn espone la motivazione della loro ricerca:"Lo studio delle vie di trasporto dei protoni è di fondamentale importanza per chiarire il funzionamento di molti sistemi biologici".

Il team di ricerca ha sintetizzato sistematicamente polimeri con diverse concentrazioni di acido carbossilico e li ha preparati come film sottili con un elevato rapporto superficie-massa per consentire lo studio delle proprietà di trasporto interfacciale. Seguendo questo, hanno caratterizzato le strutture polimeriche utilizzando una varietà di tecniche di caratterizzazione standard.

Il team di ricerca ha osservato la presenza di due tipi di gruppi di acido carbossilico (COOH) nei polimeri:gruppi COOH liberi, che erano più abbondanti a concentrazioni più elevate, e gruppi dimeri ciclici COOH, che erano prevalenti a basse concentrazioni. Per correlare questo con il trasporto di protoni, i ricercatori hanno esaminato la conduzione protonica nel piano utilizzando la spettroscopia di impedenza e hanno calcolato la resistenza interfacciale per valutare la possibilità di trasporto interfacciale.

Hanno scoperto che un'elevata concentrazione di COOH era più favorevole al trasporto interno di protoni, mentre concentrazioni più basse favorivano il trasporto interfacciale. Hanno attribuito questo alla presenza di gruppi COOH liberi ad alte concentrazioni che hanno generato più reti di legami idrogeno, facilitando la conduzione dei protoni. Per di più, hanno verificato questa idea dimostrando che un numero maggiore di gruppi COOH liberi sull'interfaccia porta a una maggiore conduzione interfacciale.

"La nostra ricerca può contribuire allo sviluppo di materiali bioconduttivi per dispositivi biologici coinvolti nella conduzione di protoni e celle a combustibile ecocompatibili, "dice Suwansoontorn, contemplando le ramificazioni pratiche dei risultati. "Da una prospettiva più ampia, può facilitare la vita delle persone supportando le tecnologie biologiche e lo sviluppo di applicazioni per l'energia verde".

Per combattere il cambiamento climatico, l'energia più verde è la necessità del momento. In quel contesto, i risultati di questo studio promettono alcune conseguenze entusiasmanti da aspettarsi, di sicuro!