La struttura a nido d'ape del grafene incontaminato è bellissima, ma gli scienziati della Northwestern University, insieme ai collaboratori di altre cinque istituzioni, hanno scoperto che se il grafene ha naturalmente dei piccoli fori, hai una membrana selettiva per i protoni che potrebbe portare a celle a combustibile migliorate.

Una delle principali sfide nella tecnologia delle celle a combustibile è separare in modo efficiente i protoni dall'idrogeno. In uno studio sul grafene monostrato e sull'acqua, i ricercatori della Northwestern hanno scoperto che il grafene leggermente imperfetto trasporta i protoni, e solo i protoni, da un lato all'altro della membrana di grafene in pochi secondi. La velocità e la selettività della membrana sono molto migliori di quelle delle membrane convenzionali, offrendo agli ingegneri un meccanismo nuovo e più semplice per la progettazione delle celle a combustibile.

"Immagina un'auto elettrica che si ricarica nello stesso tempo necessario per riempire un'auto di benzina, " disse il chimico Franz M. Geiger, che ha condotto la ricerca. "E meglio ancora:immagina un'auto elettrica che utilizza l'idrogeno come carburante, non combustibili fossili o etanolo, e non elettricità dalla rete elettrica, per caricare una batteria. La nostra sorprendente scoperta fornisce un meccanismo elettrochimico che potrebbe rendere possibili queste cose un giorno".

Grafene monostrato difettoso, si scopre, produce una membrana che è il canale protonico più sottile del mondo, spesso solo un atomo.

"Abbiamo scoperto che se si riduce un po' il grafene alla perfezione, otterrai la membrana che desideri, " disse Geiger, professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences. "Tutti si sforzano sempre di creare grafene davvero incontaminato, ma i nostri dati mostrano che se vuoi far passare i protoni, hai bisogno di grafene meno perfetto."

Lo studio sarà pubblicato il 17 marzo dalla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il gruppo di ricerca di Geiger includeva collaboratori della Northwestern, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, l'Università della Virginia, l'Università del Minnesota, Pennsylvania State University e l'Università di Porto Rico.

Nel mondo atomico di una soluzione acquosa, i protoni sono piuttosto grandi, e gli scienziati non credono che possano essere guidati attraverso un singolo strato di grafene chimicamente perfetto a temperatura ambiente. (Il grafene è una forma di carbonio elementare composta da un singolo foglio piatto di atomi di carbonio disposti in una ripetizione esagonale, o a nido d'ape, reticolo.)

Quando Geiger e i suoi colleghi hanno studiato il grafene esposto all'acqua, hanno scoperto che i protoni si stavano effettivamente muovendo attraverso il grafene. Utilizzando tecniche laser all'avanguardia, metodi di imaging e simulazioni al computer, hanno deciso di imparare come.

I ricercatori hanno scoperto che i difetti naturali nel grafene, dove manca un atomo di carbonio, innescano una giostra chimica in cui i protoni dall'acqua su un lato della membrana vengono trasportati dall'altro lato in pochi secondi. Le loro avanzate simulazioni al computer hanno mostrato che ciò avviene tramite un classico meccanismo "bucket-line" proposto per la prima volta nel 1806.

La sottigliezza del grafene, spesso come un atomo, lo rende un viaggio veloce per i protoni, ha detto Geiger. Con membrane convenzionali, che sono spesse centinaia di nanometri, la selezione del protone richiede pochi minuti, troppo tempo per essere pratica.

Prossimo, il team di ricerca ha posto la domanda:quanti atomi di carbonio dobbiamo eliminare dallo strato di grafene per far passare i protoni? Solo una manciata in un'area di micron quadrati di grafene, i ricercatori hanno calcolato.

La rimozione di alcuni atomi di carbonio fa sì che altri siano altamente reattivi, che avvia il processo di trasferimento dei protoni. Solo i protoni passano attraverso i piccoli fori, rendendo la membrana molto selettiva. (Le membrane convenzionali non sono molto selettive.)

"I nostri risultati non faranno una cella a combustibile domani, ma fornisce agli ingegneri un meccanismo per progettare una membrana di separazione protonica che è molto meno complicato di quello che la gente aveva pensato prima, " Ha detto Geiger. "Tutto ciò di cui hai bisogno è grafene a strato singolo leggermente imperfetto".