I ricercatori dell'Università di Manchester hanno scoperto un altro nuovo e inaspettato effetto fisico nel grafene:membrane che potrebbero essere utilizzate in dispositivi per imitare artificialmente la fotosintesi.

Le nuove scoperte hanno dimostrato un aumento della velocità con cui il materiale conduce i protoni quando è semplicemente illuminato dalla luce solare. L'effetto 'foto-protone', come è stato soprannominato, potrebbe essere sfruttato per progettare dispositivi in ​​grado di raccogliere direttamente l'energia solare per produrre gas idrogeno, un promettente carburante verde. Potrebbe essere interessante anche per altre applicazioni, come la scissione dell'acqua indotta dalla luce, fotocatalisi e per realizzare nuovi tipi di fotorivelatori ad alta efficienza.

Il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un solo atomo e ha numerose proprietà fisiche e meccaniche uniche. È un eccellente conduttore di elettroni e può assorbire la luce di tutte le lunghezze d'onda.

I ricercatori hanno recentemente scoperto che è anche permeabile ai protoni termici (i nuclei degli atomi di idrogeno), il che significa che potrebbe essere impiegato come membrana conduttrice di protoni in varie applicazioni tecnologiche.

Per scoprire come la luce influenza il comportamento dei protoni che permeano attraverso il foglio di carbonio, un team guidato dal dott. Marcelo Lozada-Hidalgo e dal professor Sir Andre Geim ha fabbricato membrane di grafene incontaminate e le ha decorate su un lato con nanoparticelle di platino. Gli scienziati di Manchester sono rimasti sorpresi nello scoprire che la conduttività protonica di queste membrane veniva aumentata di 10 volte quando venivano illuminate dalla luce solare.

Il Dr. Lozada-Hidalgo ha dichiarato:"L'applicazione di gran lunga più interessante è la produzione di idrogeno in un sistema fotosintetico artificiale basato su queste membrane".

Anche il professor Geim è ottimista:"Si tratta essenzialmente di un nuovo sistema sperimentale in cui protoni, elettroni e fotoni sono tutti impacchettati insieme in un volume atomicamente sottile. Sono sicuro che c'è molta nuova fisica da scoprire, e seguiranno nuove applicazioni".

Scienziati di tutto il mondo sono impegnati a studiare come utilizzare direttamente l'energia solare per produrre combustibili rinnovabili (come l'idrogeno) imitando la fotosintesi nelle piante. Queste "foglie" artificiali richiederanno membrane con proprietà molto sofisticate, inclusa la conduttività mista protone-elettrone, permeabilità ai gas, robustezza meccanica e trasparenza ottica.

Attualmente, i ricercatori usano una miscela di protoni e polimeri conduttori di elettroni per realizzare tali strutture, ma questi richiedono alcuni importanti compromessi che potrebbero essere evitati utilizzando il grafene.

Utilizzando misurazioni elettriche e spettrometria di massa, i ricercatori affermano di aver misurato una fotoresponsività di circa 104 A/W, che si traduce in circa 5000 molecole di idrogeno che si formano in risposta a ogni fotone solare (particella di luce) incidente sulla membrana. Si tratta di un numero enorme se confrontato con i dispositivi fotovoltaici esistenti dove sono necessarie molte migliaia di fotoni per produrre una sola molecola di idrogeno.

"Sapevamo che il grafene assorbe la luce di tutte le frequenze e che è anche permeabile ai protoni, ma non c'era motivo per noi di aspettarci che i fotoni assorbiti dal materiale potessero aumentare il tasso di permeazione dei protoni attraverso di esso", afferma Lozada-Hidalgo.

"Il risultato è ancora più sorprendente quando ci siamo resi conto che la membrana era di molti ordini di grandezza più sensibile alla luce rispetto ai dispositivi progettati specificamente per essere sensibili alla luce. Esempi di tali dispositivi includono fotodiodi commerciali o quelli realizzati con nuovi materiali 2-D ."

I fotorilevatori in genere raccolgono la luce per produrre solo elettricità, ma le membrane di grafene producono sia elettricità che, come sottoprodotto, idrogeno. La velocità con cui rispondono alla luce nell'ordine dei microsecondi è più veloce della maggior parte dei fotodiodi commerciali.