I ricercatori dell'Università di Manchester hanno scoperto che le miche atomicamente sottili, il nome dato a un tipo di minerale comune che si trova nel suolo, sono eccellenti conduttori di protoni. Questo risultato sorprendente è importante per l'uso di materiali 2-D in applicazioni come le celle a combustibile e altre tecnologie legate all'idrogeno.

In precedenza, i ricercatori di Manchester guidati dal professor Andre Geim e dal dottor Marcelo Lozada-Hidalgo hanno scoperto che i materiali spessi un atomo come il grafene sono altamente permeabili ai protoni, nuclei di atomi di idrogeno. Però, hanno anche scoperto che altri materiali 2-D come il solfuro di molibdeno (MoS2), che erano spessi solo tre atomi, erano completamente impermeabili ai protoni. Questi risultati hanno suggerito che solo i cristalli spessi un atomo potrebbero essere permeabili ai protoni.

Scrivendo in Nanotecnologia della natura , il team ha dimostrato che i protoni possono facilmente permeare attraverso miche a pochi strati nonostante siano 10 volte più spessi del grafene. Miche, come la grafite, sono costituiti da strati di cristallo impilati uno sopra l'altro e possono essere tagliati in un unico strato. Il team ha isolato uno di questi strati e ha scoperto che era 100 volte più permeabile ai protoni rispetto al grafene.

A prima vista, questo risultato sembra impossibile perché le miche sono troppo spesse perché i protoni possano permeare:sono molto più spesse del MoS monostrato ₂ che è completamente impermeabile ai protoni. Però, le miche possono essere pensate come lastre di cristallo forate da canali tubolari. Questi canali non sono vuoti ma pieni di gruppi idrossilici che sono come le catene unidimensionali conduttrici di protoni nell'acqua. I protoni saltano lungo queste catene, trasformando il materiale in un eccellente conduttore di protoni.

Lucas Mogg, un dottorato di ricerca studente del progetto e il primo autore dell'articolo ha dichiarato:"Abbiamo scoperto che la conduttività protonica nelle miche atomicamente sottili è da 10 a 100 volte superiore a quella del grafene. È incoraggiante perché il grafene è già considerato un promettente materiale conduttore di protoni. I nostri risultati mostrano che le miche potrebbero essere ancora più promettenti, non da ultimo perché sono abbondanti e poco costose".

Il professor Andre Geim ha dichiarato:"Il risultato implica anche che molti altri materiali 2-D potrebbero essere trasformati in conduttori di protoni. La nostra strategia non si limita a protoni o miche. Molti altri cristalli 2-D con canali su scala atomica simili a quelli delle miche. potrebbe essere esplorato, speriamo di portare fenomeni inaspettati e nuove applicazioni nel campo dei protoni e dei conduttori ionici".

I ricercatori hanno anche scoperto che le miche diventano particolarmente altamente conduttive in un intervallo di temperatura notoriamente inaccessibile per le tecnologie correlate.

Il Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo ha dichiarato:"C'è una mancanza di materiali conduttori di protoni che possano funzionare in modo affidabile tra 100°C e 500°C. Tuttavia, questo è l'intervallo di temperatura ottimale per il funzionamento ottimale delle celle a combustibile e di altre tecnologie a idrogeno. Le miche atomicamente sottili funzionano piuttosto bene in questo intervallo di temperatura:meritano attenzione da questa prospettiva".

Per di più, i ricercatori affermano che ora stanno lavorando alla costruzione di un prototipo di membrana in mica abbastanza grande da essere testato in condizioni industriali. Sono anche ottimisti sulle possibilità che questa ricerca apre in termini di ricerca fondamentale. Il lavoro mostra che il campo dei conduttori ionici bidimensionali è molto promettente a causa della ricchezza di altri cristalli che potrebbero essere trasformati in conduttori ionici e protonici.

L'articolo Miche atomicamente sottili come membrane conduttrici di protoni sarà pubblicato su Nanotecnologia della natura .