Protonen - subatomaire deeltjes met een positieve elektrische lading - zijn een van de eerste deeltjes die zijn gevormd nadat het universum begon en vormen een bestanddeel van elk atoom dat tegenwoordig bestaat. De beweging van protonen speelt een sleutelrol in energieconversieprocessen, zoals fotosynthese en ademhaling, in biologische systemen. In aanvulling, protongeleiding is een belangrijke factor voor waterstofbrandstofcellen, die vaak worden aangeprezen als de ideale schone energiebron voor de volgende generatie.

Hoge protongeleiding waargenomen in biomaterialen zoals suiker en eiwitderivaten wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van protondonerende functionele groepen (substituenten in een molecuul dat zijn karakteristieke chemische reacties regelt). Echter, het exacte mechanisme van protonentransport in deze materialen is niet duidelijk begrepen (bijvoorbeeld of de protonen er de voorkeur aan geven langs het biomateriaaloppervlak te stromen, d.w.z. grensvlaktransport, of via de bulk). Bovendien, het is niet duidelijk hoe de concentratie van de functionele groep de protontransportroutes kan beïnvloeden.

Tegen deze achtergrond, in een nieuwe studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Elektrochemie , een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van Assoc.Prof. Yuki Nagao van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en Athchaya Suwansoontorn, een doctoraat student aan JAIST, evenals Assoc.Prof. Katsuhiro Yamamoto van het Nagoya Institute of Technology, Prof. Shusaku Nagano van Rikkyo University en Prof. Jun Matsui van Yamagata University, uiteengezet om te onderzoeken hoe protongeleiding werd beïnvloed in op styreen gebaseerde polymeren met de verandering in de concentratie van carbonzuur, een protondonerend organisch zuur dat veel voorkomt in biomaterialen. Suwansoontorn legt de motivatie voor hun onderzoek uit:"De studie van protontransportroutes is van fundamenteel belang om het functioneren van veel biologische systemen op te helderen."

Het onderzoeksteam synthetiseerde systematisch polymeren met verschillende concentraties carbonzuur en bereidde ze voor als dunne films met een hoge oppervlakte-tot-bulkverhouding om onderzoek naar grensvlaktransporteigenschappen mogelijk te maken. Naar aanleiding hiervan, ze karakteriseerden de polymeerstructuren met behulp van een verscheidenheid aan standaard karakteriseringstechnieken.

Het onderzoeksteam observeerde de aanwezigheid van twee soorten carbonzuurgroepen (COOH) in de polymeren:vrije COOH-groepen, die overvloediger waren bij hogere concentraties, en cyclische dimeer COOH-groepen, die in lage concentraties overheersen. Om dit te correleren met protonentransport, de onderzoekers onderzochten protongeleiding in het vlak met behulp van impedantiespectroscopie en berekenden de grensvlakweerstand om de mogelijkheid van grensvlaktransport te meten.

Ze ontdekten dat een hoge COOH-concentratie meer bevorderlijk was voor intern protonentransport, terwijl lagere concentraties het grensvlaktransport bevorderden. Ze schreven dit toe aan de aanwezigheid van vrije COOH-groepen in hoge concentraties die meer waterstofbindingsnetwerken genereerden, protongeleiding te vergemakkelijken. Verder, ze bevestigden dit idee door aan te tonen dat een hoger aantal vrije COOH-groepen op het grensvlak leidde tot een hogere grensvlakgeleiding.

"Ons onderzoek kan bijdragen aan de ontwikkeling van biogeleidende materialen voor biologische apparaten die betrokken zijn bij protonengeleiding en milieuvriendelijke brandstofcellen, " zegt Suwansoontorn, nadenken over de praktische gevolgen van de bevindingen. “Vanuit een breder perspectief, het kan het leven van mensen vergemakkelijken door biologische technologieën en de ontwikkeling van groene energietoepassingen te ondersteunen."

Om klimaatverandering tegen te gaan, groenere energie is de behoefte van het uur. In deze context, de bevindingen van deze studie beloven enkele opwindende gevolgen om naar uit te kijken, zeker!