El profesor de Ingeniería del Noroeste, Jiaxing Huang, ha desarrollado un sistema de conducción de protones más estable. Para encontrar el ingrediente clave, no tenía que mirar más allá de su propio patio trasero.

"Usamos arcilla que puedes comprar en una tienda de jardinería, "dijo Huang, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern. "Me gusta llamarlo un material 'realista'".

Cuando se transporta un protón, genera una corriente eléctrica que juega un papel clave tanto en la naturaleza como en la tecnología. Los ingenieros están particularmente interesados ​​en aprovechar la conducción de protones para la catálisis, sensores y reactores electroquímicos, y cosecha de energía. En pilas de combustible, por ejemplo, un protón debe ser transportado a través de una membrana para alcanzar un cátodo, Completando la conversión de energía química en electricidad.

En celdas, los protones pueden transportarse a través de nanoporos formados por proteínas de membrana. Los ingenieros han intentado imitar esto creando nanocanales de protones artificiales. Durante los últimos 20 años, han utilizado la nanolitografía para crear nanocanales en silicio, vidrio, y otros materiales para mejorar el transporte iónico y la conductividad. Esos nanocanales dan como resultado una mayor conductividad, pero hay dos problemas principales:la nanolitografía es compleja y costosa, y el material final es difícil de producir a gran escala.

"Se han demostrado muchos tipos de nanocanales sobre un sustrato, ", Dijo Huang." Pero ha sido difícil producirlos en grandes cantidades, decir, un sustrato lleno de nanocanales ".

La nueva solución de Huang capitaliza las propiedades naturales de la arcilla. Cuando láminas bidimensionales de arcilla, llamado vermiculita, se exfolian en agua, llevan cargas negativas, atrayendo protones cargados positivamente. Después de que las sábanas se sequen, se autoensamblan en películas similares al papel. El espacio de casi 1 nanómetro entre las capas sirve como nanocanales que pueden concentrar protones para la conducción.

Con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Northwestern, La investigación de Huang se describe en un artículo publicado el 13 de julio en Comunicaciones de la naturaleza . Otros autores del artículo incluyen al ex estudiante visitante Jiao-Jing Shao, ex becario postdoctoral Kalyan Raidonga, y el estudiante de posgrado Andrew Koltonow. Shao y Raidongo han completado su formación en Northwestern y ahora son profesores en China e India. respectivamente.

En comparación con las láminas a base de grafeno y otros materiales bidimensionales, Las capas de arcilla tienen ventajas significativas para la construcción de materiales y dispositivos conductores de iones. La arcilla está fácilmente disponible y se puede exfoliar en agua mediante intercambio iónico, que es mucho más benigno que la exfoliación química necesaria para el grafeno y otros materiales. También tiene una extraordinaria estabilidad química y térmica, capaz de soportar temperaturas superiores a 500 grados centígrados.

"La arcilla tiene una estabilidad térmica extraordinaria, ", Dijo Huang." Queremos crear un sistema de conducción de protones que pueda soportar temperaturas muy altas porque algunos de los mejores materiales de conducción de protones que existen no pueden hacer eso ".

La simplicidad de las técnicas de procesamiento de materiales necesarias para producir tales nanocanales 2-D facilita la ampliación. Por lo tanto, en lugar de dar como resultado una pequeña cantidad de canales, más del 30 por ciento del volumen de la membrana de arcilla de Huang está hecho de nanocanales conductores de protones.

Huang llama a su membrana de arcilla un nuevo ejemplo de "materiales nanoestructurados a granel, "que se refiere a una forma macroscópica de materiales con unidades estructurales a escala nanométrica. Los materiales de nanoestructura a granel son de gran interés, en parte porque tienen nuevas propiedades que son insostenibles para sus unidades nanoestructuradas.

En este caso, las láminas de arcilla individuales no tienen propiedades conductoras de protones. Deben ensamblarse cara a cara para generar la forma final de material a granel, en el que todas las hojas soportan colectivamente las propiedades conductoras de protones.

"Estamos estudiando nanomateriales más allá de la unidad nanoestructurada individual, ", dijo." Este es un material a granel que se puede ver fácilmente, manipulado y usado ".