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Investigadores de las universidades de Warwick y Manchester han logrado resolver el antiguo misterio de por qué el grafeno es mucho más permeable a los protones de lo que predice la teoría.
Crédito de la foto: Universidad de Manchester.
Hace una década, investigadores de la Universidad de Manchester descubrieron que el grafeno es permeable a los protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno.
Dado que la teoría postulaba que se necesitarían miles de millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno, el resultado inesperado provocó un debate en la comunidad. Esto llevó a suponer que los protones entran en la red cristalina a través de pequeños agujeros y no a través de la propia red.
Ahora, un equipo de la Universidad de Warwick dirigido por el profesor Patrick Unwin y la Universidad de Manchester dirigido por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y el profesor Andre Geim realizaron mediciones de resolución espacial ultraalta del transporte de protones a través del grafeno y muestran que los cristales de grafeno perfectos son permeables a los protones. Los protones son lanzados inesperadamente alrededor de pliegues y ondas a nanoescala en el cristal.
El estudio fue publicado en la revista Naturalezay podría dar un impulso significativo a la economía del hidrógeno.
Actualmente se utilizan costosos catalizadores y membranas para generar y utilizar hidrógeno, lo que puede tener un impacto significativo en el medio ambiente. Estos podrían reemplazarse con cristales 2D más sostenibles, reduciendo las emisiones de carbono y contribuyendo al Net Zero mediante la producción de hidrógeno verde.
Para cuantificar pequeñas corrientes de protones de áreas de tamaño nanométrico, los investigadores utilizaron un método llamado microscopía de células electroquímicas de barrido (SECCM). Utilizando esta técnica, pudieron observar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de membranas de grafeno.
Si el transporte de protones se produjera a través de agujeros, como sospechaban algunos investigadores, las corrientes se concentrarían en unos pocos lugares aislados. No se encontraron sitios aislados, lo que descarta la presencia de agujeros en las membranas de grafeno.
«Nos sorprendió no ver absolutamente ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan evidencia microscópica de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones.‘, explicó la Dra. Segun Wahab y el Dr. Enrico Daviddi, autores principales del artículo.
Se observó que las corrientes de protones se aceleraban alrededor de pliegues de tamaño nanométrico en los cristales, lo cual fue inesperado. Los pliegues «estiran» efectivamente la red de grafeno y, según los investigadores, proporcionan un gran espacio para que los protones penetren a través de la prístina red cristalina. Esta observación ahora combina experimento y teoría.
Estamos efectivamente estirando una red a escala atómica y observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos extendidos en esta red; es realmente alucinante..
dr. Lozada-Hidalgo, Universidad de Manchester
«Estos resultados demuestran que SECCM, desarrollado en nuestro laboratorio, es una técnica poderosa para obtener información microscópica sobre las interfaces electroquímicas, abriendo posibilidades interesantes para el desarrollo de membranas y separadores de próxima generación que utilizan protones.‘ señala el profesor Unwin.
Los investigadores están entusiasmados con el potencial del descubrimiento para permitir nuevas tecnologías basadas en hidrógeno.
Explotar la actividad catalítica de ondas y pliegues en cristales 2D es una forma fundamentalmente nueva de acelerar el transporte de iones y las reacciones químicas. Esto podría conducir al desarrollo de catalizadores económicos para tecnologías relacionadas con el hidrógeno..
dr. Lozada-Hidalgo, Universidad de Manchester
Referencia de la revista:
Wahab, DO, et al. (2023). Transporte de protones por ondas a nanoescala en cristales bidimensionales. Naturaleza. doi.org/10.1038/s41586-023-06247-6.
Fuente: https://warwick.ac.uk
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