I ricercatori dell'Università di Manchester e dell'Università di Warwick hanno finalmente risolto l'annoso enigma del perché il grafene è molto più permeabile ai protoni di quanto previsto dalla teoria.
Dieci anni fa, gli scienziati dell’Università di Manchester hanno dimostrato che il grafene è permeabile ai protoni, nuclei di atomi di idrogeno. Il risultato inaspettato ha avviato un dibattito nella comunità perché la teoria prevedeva che ci sarebbero voluti miliardi di anni affinché un protone permeasse la densa struttura cristallina del grafene. Ciò ha portato a suggerire che i protoni non permeano attraverso il reticolo cristallino stesso, ma attraverso i fori stenopeici nella sua struttura.
Ora, scrivo in Natura , una collaborazione tra l'Università di Warwick, guidata dal Prof Patrick Unwin, e l'Università di Manchester, guidata dal Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e dal Prof Andre Geim, riportano misurazioni ad altissima risoluzione spaziale del trasporto di protoni attraverso il grafene e lo dimostrano perfetto i cristalli di grafene sono permeabili ai protoni. Inaspettatamente, i protoni vengono fortemente accelerati attorno alle rughe e alle increspature su scala nanometrica nel cristallo.
La scoperta ha il potenziale per accelerare l’economia dell’idrogeno. I catalizzatori e le membrane costosi, a volte con un impatto ambientale significativo, attualmente utilizzati per generare e utilizzare l'idrogeno potrebbero essere sostituiti con cristalli 2D più sostenibili, riducendo le emissioni di carbonio e contribuendo all'azzeramento netto attraverso la generazione di idrogeno verde.
Il team ha utilizzato una tecnica nota come microscopia cellulare elettrochimica a scansione (SECCM) per misurare le minuscole correnti protoniche raccolte da aree di dimensioni nanometriche. Ciò ha permesso ai ricercatori di visualizzare la distribuzione spaziale delle correnti protoniche attraverso le membrane di grafene. Se il trasporto dei protoni avvenisse attraverso i buchi, come ipotizzato da alcuni scienziati, le correnti si concentrerebbero in pochi punti isolati. Non sono stati trovati punti isolati di questo tipo, il che ha escluso la presenza di fori nelle membrane di grafene.
I dottori Segun Wahab ed Enrico Daviddi, autori principali dell'articolo, hanno commentato:"Siamo rimasti sorpresi nel non aver riscontrato alcun difetto nei cristalli di grafene. I nostri risultati forniscono la prova microscopica che il grafene è intrinsecamente permeabile ai protoni."
Inaspettatamente, si è scoperto che le correnti protoniche erano accelerate attorno alle rughe di dimensioni nanometriche nei cristalli. Gli scienziati hanno scoperto che ciò si verifica perché le rughe “allungano” efficacemente il reticolo del grafene, fornendo così uno spazio più ampio affinché i protoni possano permeare attraverso il reticolo cristallino incontaminato. Questa osservazione ora riconcilia l'esperimento e la teoria.
Il dottor Lozada-Hidalgo ha affermato:"Stiamo effettivamente allungando una rete su scala atomica e osservando una corrente più elevata attraverso gli spazi interatomici allungati in questa rete:è sbalorditivo."
Il professor Unwin ha commentato:"Questi risultati mostrano che il SECCM, sviluppato nel nostro laboratorio, è una potente tecnica per ottenere informazioni microscopiche sulle interfacce elettrochimiche, che apre interessanti possibilità per la progettazione di membrane e separatori di prossima generazione che coinvolgono protoni."
Gli autori sono entusiasti del potenziale di questa scoperta per consentire nuove tecnologie basate sull'idrogeno.
Il Dr. Lozada-Hidalgo ha affermato:“Sfruttare l’attività catalitica delle increspature e delle rughe nei cristalli 2D è un modo fondamentalmente nuovo per accelerare il trasporto degli ioni e le reazioni chimiche. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di catalizzatori a basso costo per le tecnologie legate all’idrogeno”.
Ulteriori informazioni: Marcelo Lozada-Hidalgo, Trasporto di protoni attraverso ondulazioni su scala nanometrica in cristalli bidimensionali, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Manchester
