Il professore di ingegneria nordoccidentale Jiaxing Huang ha sviluppato un sistema più economico, sistema di conduzione protonica più stabile. Per trovare l'ingrediente chiave, non doveva guardare oltre il proprio cortile.

"Abbiamo usato un'argilla che puoi acquistare in un negozio di giardinaggio, " disse Huang, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University. "Mi piace definirlo un materiale 'con i piedi per terra'".

Quando un protone viene trasportato, genera una corrente elettrica che gioca un ruolo fondamentale sia nella natura che nella tecnologia. Gli ingegneri sono particolarmente interessati a sfruttare la conduzione protonica per la catalisi, sensori e reattori elettrochimici, e la raccolta di energia. Nelle celle a combustibile, Per esempio, un protone deve essere trasportato attraverso una membrana per raggiungere un catodo, completare la conversione dell'energia chimica in elettricità.

Nelle cellule, i protoni possono essere trasportati attraverso nanopori formati da proteine ​​di membrana. Gli ingegneri hanno cercato di imitarlo creando nanocanali protonici artificiali. Negli ultimi 20 anni, hanno usato la nanolitografia per creare nanocanali nel silicio, bicchiere, e altri materiali per migliorare il trasporto ionico e la conduttività. Quei nanocanali si traducono in una maggiore conduttività, ma ci sono due problemi principali:la nanolitografia è complessa e costosa, e il materiale finale è difficile da produrre su larga scala.

"Molti tipi di nanocanali sono stati dimostrati su un substrato, " disse Huang. "Ma è stato difficile produrli in grandi quantità, dire, un substrato pieno di nanocanali."

La nuova soluzione di Huang sfrutta le proprietà naturali dell'argilla. Quando fogli bidimensionali dell'argilla, chiamata vermiculite, sono esfoliati in acqua, portano cariche negative, attrarre protoni carichi positivamente. Dopo che le lenzuola si sono asciugate, si autoassemblano in pellicole simili alla carta. La distanza di quasi 1 nanometro tra gli strati funge da nanocanali che possono concentrare i protoni per la conduzione.

Supportato dall'Office of Naval Research e dal Materials Research Science and Engineering Center della Northwestern, La ricerca di Huang è descritta in un articolo pubblicato il 13 luglio in Comunicazioni sulla natura . Altri autori del documento includono l'ex studente in visita Jiao-Jing Shao, l'ex studioso postdottorato Kalyan Raidonga, e lo studente laureato Andrew Koltonow. Shao e Raidongo hanno completato la loro formazione alla Northwestern e ora sono professori in Cina e India, rispettivamente.

Rispetto ai fogli a base di grafene e ad altri materiali bidimensionali, gli strati di argilla presentano vantaggi significativi per la costruzione di dispositivi e materiali conduttori di ioni. L'argilla è facilmente disponibile e può essere esfoliata in acqua per scambio ionico, che è molto più benigno dell'esfoliazione chimica necessaria per il grafene e altri materiali. Possiede inoltre una straordinaria stabilità chimica e termica, in grado di resistere a temperature superiori a 500 gradi Celsius.

"L'argilla ha una straordinaria stabilità termica, " ha detto Huang. "Vogliamo creare un sistema di conduzione protonica in grado di sostenere temperature molto elevate perché alcuni dei migliori materiali a conduzione protonica non possono farlo".

La semplicità delle tecniche di elaborazione dei materiali necessarie per produrre tali nanocanali 2-D rende facile la scalabilità. Perciò, invece di produrre un numero ridotto di canali, oltre il 30 percento del volume della membrana di argilla di Huang è costituito da nanocanali conduttori di protoni.

Huang definisce la sua membrana di argilla un nuovo esempio di "materiali sfusi nanostrutturati, " che si riferisce a una forma macroscopica di materiali con unità strutturali su scala nanometrica. Di grande interesse sono i materiali di nanostruttura sfusa, in parte perché hanno nuove proprietà che sono insostenibili per le loro unità nanostrutturate.

In questo caso, i singoli fogli di argilla non hanno proprietà di conduzione protonica. Devono essere assemblati faccia a faccia per generare la forma sfusa finale del materiale, in cui tutti i fogli supportano collettivamente le proprietà di conduzione protonica.

"Stiamo studiando i nanomateriali oltre la singola unità nanostrutturata, " ha detto. "Questo è un materiale sfuso che può essere facilmente visto, manipolato, e usato."