p O professor de Engenharia da Northwestern, Jiaxing Huang, desenvolveu um modelo mais barato, sistema mais estável de condução de prótons. Para encontrar o ingrediente principal, ele não teve que procurar além de seu próprio quintal. p "Usamos uma argila que você pode comprar em uma loja de jardinagem, "disse Huang, professor associado de ciência de materiais e engenharia na McCormick School of Engineering da Northwestern University. "Eu gosto de chamá-lo de um material 'pé no chão'."

p Quando um próton é transportado, ele gera uma corrente elétrica que desempenha um papel fundamental na natureza e na tecnologia. Os engenheiros estão particularmente interessados ​​em aproveitar a condução de prótons para catálise, sensores e reatores eletroquímicos, e coleta de energia. Em células de combustível, por exemplo, um próton deve ser transportado através de uma membrana para chegar a um cátodo, completando a conversão de energia química em eletricidade.

p Nas células, prótons podem ser transportados através de nanoporos formados por proteínas de membrana. Os engenheiros têm tentado imitar isso criando nanocanais de prótons artificiais. Nos últimos 20 anos, eles usaram nanolitografia para criar nanocanais de silício, copo, e outros materiais para melhorar o transporte iônico e a condutividade. Esses nanocanais resultam em maior condutividade, mas existem dois problemas principais:a nanolitografia é complexa e cara, e o material final é difícil de produzir em grande escala.

p "Muitos tipos de nanocanais foram demonstrados em um substrato, "Disse Huang." Mas tem sido difícil produzi-los em grandes quantidades, dizer, um substrato cheio de nanocanais. "

p A nova solução de Huang capitaliza as propriedades naturais da argila. Quando as folhas bidimensionais de argila, chamada vermiculita, são esfoliados em água, eles carregam cargas negativas, atraindo prótons carregados positivamente. Depois que as folhas secam, eles se auto-montam em filmes semelhantes a papel. O espaçamento de quase 1 nanômetro entre as camadas serve como nanocanais que podem concentrar prótons para a condução.

p Com o apoio do Office of Naval Research e do Centro de Pesquisa e Engenharia de Materiais da Northwestern, A pesquisa de Huang é descrita em um artigo publicado em 13 de julho em Nature Communications . Outros autores do artigo incluem o ex-aluno visitante Jiao-Jing Shao, ex-bolsista de pós-doutorado Kalyan Raidonga, e o estudante de graduação Andrew Koltonow. Shao e Raidongo concluíram seu treinamento na Northwestern e agora são professores na China e na Índia, respectivamente.

p Em comparação com folhas à base de grafeno e outros materiais bidimensionais, as camadas de argila têm vantagens significativas para a construção de dispositivos e materiais condutores de íons. A argila está prontamente disponível e pode ser esfoliada em água por troca iônica, que é muito mais benigno do que a esfoliação química necessária para o grafeno e outros materiais. Ele também tem uma estabilidade química e térmica extraordinária, capaz de suportar temperaturas superiores a 500 graus Celsius.

p "A argila tem uma estabilidade térmica extraordinária, "Huang disse." Queremos criar um sistema condutor de prótons que possa sustentar temperaturas muito altas porque alguns dos melhores materiais condutores de prótons não podem fazer isso. "

p A simplicidade das técnicas de processamento de materiais necessárias para produzir tais nanocanais 2-D torna mais fácil aumentar a escala. Portanto, em vez de resultar em um pequeno número de canais, mais de 30 por cento do volume da membrana de argila de Huang é feito de nanocanais condutores de prótons.

p Huang chama sua membrana de argila de um novo exemplo de "materiais nanoestruturados a granel, "que se refere a uma forma macroscópica de materiais com unidades estruturais em escala nanométrica. Materiais nanoestruturados a granel são de grande interesse, parcialmente porque eles têm novas propriedades que são insustentáveis ​​para suas unidades nanoestruturadas.

p Nesse caso, as folhas de argila individuais não têm propriedades condutoras de prótons. Eles precisam ser montados face a face para gerar a forma a granel final do material, em que todas as folhas suportam coletivamente as propriedades condutoras de prótons.

p "Estamos estudando nanomateriais além da unidade nanoestruturada individual, "disse ele." Este é um material a granel que pode ser facilmente visto, manipulado, e usado. "