Northwestern Engineering professor Jiaxing Huang heeft een goedkopere, stabieler protongeleidend systeem. Om het belangrijkste ingrediënt te vinden, hij hoefde niet verder te kijken dan zijn eigen achtertuin.

"We gebruikten een klei die je in een tuinierwinkel kunt kopen, " zei Huang, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University. "Ik noem het graag 'down-to-earth' materiaal."

Wanneer een proton wordt getransporteerd, het wekt een elektrische stroom op die zowel in de natuur als in de techniek een sleutelrol speelt. Ingenieurs zijn vooral geïnteresseerd in het benutten van protonengeleiding voor katalyse, elektrochemische sensoren en reactoren, en het oogsten van energie. Bij brandstofcellen, bijvoorbeeld, een proton moet over een membraan worden getransporteerd om een ​​kathode te bereiken, voltooiing van de omzetting van chemische energie in elektriciteit.

In cellen, protonen kunnen worden getransporteerd door nanoporiën gevormd door membraaneiwitten. Ingenieurs hebben geprobeerd dit na te bootsen door kunstmatige proton-nanokanalen te creëren. De afgelopen 20 jaar, ze hebben nanolithografie gebruikt om nanokanalen in silicium te maken, glas, en andere materialen om ionentransport en geleidbaarheid te verbeteren. Die nanokanalen resulteren wel in een hogere geleidbaarheid, maar er zijn twee grote problemen:nanolithografie is complex en duur, en het uiteindelijke materiaal is moeilijk op grote schaal te produceren.

"Er zijn veel soorten nanokanalen aangetoond op een substraat, Huang zei. "Maar het was moeilijk om ze in grote hoeveelheden te produceren, zeggen, een substraat gevuld met nanokanalen."

De nieuwe oplossing van Huang speelt in op de natuurlijke eigenschappen van klei. Wanneer tweedimensionale platen van de klei, vermiculiet genoemd, worden geëxfolieerd in water, ze dragen negatieve ladingen, positief geladen protonen aantrekken. Nadat de lakens droog zijn, ze assembleren zichzelf tot papierachtige films. De afstand van bijna 1 nanometer tussen de lagen dient als de nanokanalen die protonen kunnen concentreren voor geleiding.

Ondersteund door het Office of Naval Research en Northwestern's Materials Research Science and Engineering Center, Huang's onderzoek wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 13 juli in Natuurcommunicatie . Andere auteurs van het artikel zijn onder meer voormalig gaststudent Jiao-Jing Shao, voormalig postdoctoraal wetenschapper Kalyan Raidonga, en afgestudeerde student Andrew Koltonow. Shao en Raidongo hebben hun opleiding aan Northwestern afgerond en zijn nu professoren in China en India, respectievelijk.

In vergelijking met op grafeen gebaseerde platen en andere tweedimensionale materialen, kleilagen hebben aanzienlijke voordelen voor het construeren van ionengeleidende apparaten en materialen. Klei is gemakkelijk verkrijgbaar en kan in water worden geëxfolieerd door ionenuitwisseling, dat is veel goedaardiger dan de chemische exfoliatie die nodig is voor grafeen en andere materialen. Het heeft ook buitengewone chemische en thermische stabiliteit, bestand tegen temperaturen hoger dan 500 graden Celsius.

"Klei heeft een buitengewone thermische stabiliteit, " zei Huang. "We willen een protongeleidend systeem creëren dat zeer hoge temperaturen kan weerstaan, omdat sommige van de beste protongeleidende materialen dat niet kunnen."

De eenvoud van de materiaalverwerkingstechnieken die nodig zijn om dergelijke 2D-nanokanalen te produceren, maakt het gemakkelijk om op te schalen. Daarom, in plaats van te resulteren in een klein aantal kanalen, meer dan 30 procent van het volume van Huang's kleimembraan is gemaakt van protongeleidende nanokanalen.

Huang noemt zijn kleimembraan een nieuw voorbeeld van "bulk nanogestructureerde materialen, " wat verwijst naar een macroscopische vorm van materialen met structurele eenheden op nanometerschaal. Bulk nanostructuurmaterialen zijn van groot belang, gedeeltelijk omdat ze nieuwe eigenschappen hebben die onhoudbaar zijn voor hun nanogestructureerde eenheden.

In dit geval, de afzonderlijke kleiplaten hebben geen protongeleidende eigenschappen. Ze moeten face-to-face assembleren om de uiteindelijke bulkvorm van materiaal te genereren, waarin alle platen samen de protongeleidende eigenschappen ondersteunen.

"We bestuderen nanomaterialen die verder gaan dan de individuele nanogestructureerde eenheid, " zei hij. "Dit is een bulkmateriaal dat gemakkelijk kan worden gezien, gemanipuleerd, en gebruikt."