Investigadores de la Universidad de Warwick y la Universidad de Manchester finalmente han resuelto el antiguo enigma de por qué el grafeno es mucho más permeable a los protones de lo que esperaba la teoría.
Grafeno – fotografía ilustrativa. Crédito de la imagen: Pixabay (licencia gratuita de Pixabay)
Hace una década, científicos de la Universidad de Manchester demostraron que el grafeno es permeable a los protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno.
El inesperado resultado inició un debate en la comunidad porque la teoría predijo que se necesitarían miles de millones de años para que un protón atravesara la densa estructura cristalina del grafeno. Esto había llevado a sugerir que los protones no penetran a través de la red cristalina en sí, sino a través de los orificios de su estructura.
Ahora, escribiendo en Naturaleza, una colaboración entre la Universidad de Warwick, dirigida por el Prof. Patrick Unwin, y la Universidad de Manchester, dirigida por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y el Prof. Andre Geim, informan mediciones de resolución espacial ultra alta del transporte de protones a través del grafeno y prueban que los cristales de grafeno perfectos son permeables a los protones. Inesperadamente, los protones se aceleran fuertemente alrededor de las arrugas y ondulaciones a nanoescala del cristal.
El descubrimiento tiene el potencial de acelerar la economía del hidrógeno. Los costosos catalizadores y membranas, a veces con una huella ambiental significativa, que se utilizan actualmente para generar y utilizar hidrógeno podrían reemplazarse con cristales 2D más sostenibles, reduciendo las emisiones de carbono y contribuyendo al Net Zero mediante la generación de hidrógeno verde.
El equipo utilizó una técnica conocida como microscopía celular electroquímica de barrido (SECCM) para medir corrientes diminutas de protones recogidas en áreas de tamaño nanométrico. Esto permitió a los investigadores visualizar la distribución espacial de las corrientes de protones a través de las membranas de grafeno.
Si el transporte de protones se produjera a través de agujeros, como especulaban algunos científicos, las corrientes se concentrarían en unos pocos puntos aislados. No se encontraron puntos aislados de este tipo, lo que descartó la presencia de agujeros en las membranas de grafeno.
Dres. Segun Wahab y Enrico Daviddi, autores principales del artículo, comentaron: “Nos sorprendió no ver absolutamente ningún defecto en los cristales de grafeno. Nuestros resultados proporcionan pruebas microscópicas de que el grafeno es intrínsecamente permeable a los protones”.
Inesperadamente, se descubrió que las corrientes de protones se aceleraban alrededor de arrugas de tamaño nanométrico en los cristales. Los científicos descubrieron que esto se debe a que las arrugas «estiran» efectivamente la red de grafeno, proporcionando así un espacio más grande para que los protones penetren a través de la prístina red cristalina. Esta observación ahora reconcilia el experimento y la teoría.
El Dr. Lozada-Hidalgo dijo: «Estamos efectivamente estirando una malla de escala atómica y observando una corriente más alta a través de los espacios interatómicos estirados en esta malla; esto es realmente alucinante».
El profesor Unwin comentó: «Estos resultados muestran a SECCM, desarrollado en nuestro laboratorio, como una técnica poderosa para obtener información microscópica sobre interfaces electroquímicas, lo que abre posibilidades interesantes para el diseño de membranas y separadores de próxima generación que involucran protones».
Los autores están entusiasmados con el potencial de este descubrimiento para permitir nuevas tecnologías basadas en hidrógeno. 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”.
Lea el documento completo aquí https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6
Fuente: Universidad de Warwick
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Publicado anteriormente en The European Times.
