Transporte de protones a través de cristales 2D estudiados utilizando soluciones acuosas. a Ejemplos de I - V características para 1 M HCl. Recuadro inferior:acercar. Recuadro superior:micrografía electrónica de una membrana de hBN suspendida (diámetro de apertura, 2 µm). B Dependencia de la concentración de la conductividad del área σ para hBN monocapa. El área gris indica nuestro límite de detección dado por corrientes de fuga parásitas. Barras de error:SD de diferentes medidas. Línea discontinua:mejor ajuste lineal a los datos. Recuadro superior:perfil de altura de microscopía de fuerza atómica (AFM) de un "nanoglobo inflado". Aquí, La monocapa de grafeno sella una cavidad del tamaño de un micrómetro que contiene Ar presurizado. La diferencia de presión a través de la membrana hace que se abulte. Barra de escala lateral, 1 μm; escala de color, 130 nm. Recuadro inferior:trazo de línea AFM tomado a lo largo de la línea punteada azul en el recuadro superior. DOI:10.1038 / s41467-019-12314-2
El grafeno es perfectamente selectivo para los protones y bloquea incluso los iones más pequeños como el cloro, Muestra de investigación de la Universidad de Manchester. Este resultado será importante para el desarrollo de membranas basadas en grafeno para aplicaciones que van desde las pilas de combustible hasta la desalinización.
Escribiendo en Comunicaciones de la naturaleza , un equipo dirigido por el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y el profesor Andre Geim muestra que los materiales 2-D como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal, también conocido como 'grafeno blanco, "son impenetrables para todos los iones. Sólo los protones pueden transportarse a través de estos cristales, lo que permite membranas con perfecta selectividad de protones.
Los investigadores habían descubierto previamente que los protones penetran fácilmente a través de la red cristalina del grafeno. Sin embargo, se desconoce si otros iones pequeños podrían perforar la densa red cristalina de estos materiales. Ahora los investigadores han descubierto que solo los protones pueden hacerlo.
Además de su relevancia para el desarrollo de membranas de cristal 2-D, el trabajo respalda aún más la conclusión anterior de que los agujeros en la red cristalina no son necesarios para el transporte de protones a través de cristales bidimensionales. El cristal 2-D en sí mismo es muy permeable a los protones.
Lucas Mogg, un doctorado estudiante del proyecto y el primer autor del artículo dijo:"En nuestros experimentos, las membranas de cristal 2-D separan depósitos que contienen protones e iones de cloro. Estos depósitos son prácticamente infinitos en comparación con el tamaño de nuestra membrana de cristal 2-D. Nos sorprendió mucho ver que una barrera de un átomo de espesor era suficiente para evitar que se cruzaran todos los iones de cloro. Incluso las membranas de polímero gruesas especialmente diseñadas para separar iones a veces no logran una selectividad tan perfecta ".
Estos hallazgos son relevantes para los desarrollos teóricos en el campo de los conductores iónicos 2-D, agrega el Dr. Lozada-Hidalgo. "Nuestros resultados muestran de manera concluyente que el transporte de protones a través de los cristales bidimensionales ocurre a través de su volumen y no requiere defectos a escala atómica. Este es un avance importante en nuestra comprensión de la interacción entre iones y cristales atómicamente delgados con implicaciones que se extienden bien más allá del presente estudio ".
También se cree que los resultados son importantes en el desarrollo de una amplia gama de aplicaciones que utilizan grafeno como materiales de membrana. "Nuestros resultados tienen implicaciones para las tecnologías que utilizan grafeno como material de membrana. Normalmente, no se tiene en cuenta la rápida permeación de protones a través de la masa cristalina 2-D prístina. Sin embargo, podría ser importante para diseñar y optimizar estas membranas, especialmente cuando se opera en condiciones ácidas, "explica Marcelo Lozada-Hidalgo.
Los investigadores están entusiasmados con las perspectivas que abre este trabajo. Creen que se podrían estudiar muchos más cristales con un enfoque similar. La mayoría de los cristales 2-D permanecen inexplorados desde esta perspectiva. Los investigadores creen que se podrían encontrar fenómenos más inesperados y nuevas aplicaciones en estos nuevos materiales.
