Investigadores de la Universidad de Warwick y la Universidad de Manchester han resuelto el misterio de la permeabilidad del grafeno a los protones.
Hace una década, científicos de la Universidad de Manchester revelaron que el grafeno es permeable a los protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno.
El descubrimiento de la capacidad del grafeno para permear protones fue inesperado y generó controversia en la comunidad. Esto se debe a que durante mucho tiempo se ha asumido que se necesitarían miles de millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno.
El descubrimiento planteó dudas sobre la permeabilidad del grafeno, lo que llevó a sugerir que los protones penetran a través de pequeños agujeros en la estructura, en lugar de a través de la propia red cristalina.
Ahora, en un artículo publicado en naturalezauna colaboración entre la Universidad de Warwick, dirigida por el profesor Patrick Unwin, y la Universidad de Manchester, dirigida por el Dr. Marcelo Lozada Hidalgo y el profesor Andre Cem, sobre mediciones de alta resolución espacial del transporte de protones a través del grafeno.
Esto demuestra que los cristales de grafeno ideales son permeables a los protones.
El equipo no detectó ningún defecto en el grafeno.
El equipo utilizó microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM) para medir pequeñas corrientes de protones recogidas en regiones de tamaño nanométrico. Esto permitió a los investigadores visualizar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de las membranas de grafeno.
Las corrientes se concentrarán en unos pocos puntos aislados, si el protón es transportado a través de algunos agujeros como se espera.
Sin embargo, no se encontraron áreas aisladas. Esto descarta la presencia de agujeros en las membranas de grafeno.
«Nos sorprendió no ver ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan evidencia microscópica de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones», dijeron los doctores Segun Wahab y Enrico Davide, autores principales del artículo.
El descubrimiento de la permeabilidad del grafeno concilia experimento y teoría
El equipo descubrió que las corrientes de protones se aceleran alrededor de arrugas de tamaño nanométrico en los cristales. Este descubrimiento fue inesperado.
Este fenómeno ocurre cuando las arrugas estiran la red de grafeno, proporcionando más espacio para que los protones penetren a través de la red cristalina original.
Esta observación concilia el experimento con la teoría de la permeabilidad del grafeno.
«Estamos efectivamente estirando una red a escala atómica y estamos observando corrientes más altas a través de los espacios interatómicos extendidos en esta red; es realmente alucinante», dijo el Dr. Lozada Hidalgo.
El profesor Unwin comentó: «Estos resultados muestran a SECCM, que se desarrolló en nuestro laboratorio, como una técnica poderosa para obtener información microscópica sobre interfaces electroquímicas, lo que abre posibilidades interesantes para diseñar membranas y separadores de próxima generación que incorporen protones».
El descubrimiento tiene el potencial de ayudar a la producción de hidrógeno verde.
Los costosos catalizadores y membranas que se utilizan actualmente para producir hidrógeno a veces tienen una gran huella ambiental.
Pueden reemplazarse con cristales 2D más sostenibles para ayudar a reducir las emisiones de carbono mediante la producción de hidrógeno verde.
El Dr. Lozada Hidalgo dijo: “Explotar la actividad catalítica de ondulaciones y arrugas 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 de bajo coste para tecnologías relacionadas con el hidrógeno».
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