Protoner - subatomära partiklar med en positiv elektrisk laddning - är en av de första partiklarna som har bildats efter att universum började och är en beståndsdel i varje atom som finns idag. Protonernas rörelse spelar en nyckelroll i energiomvandlingsprocesser, såsom fotosyntes och andning, i biologiska system. Dessutom, protonledning är en viktig faktor för vätebränsleceller, som ofta framhålls som den idealiska rena energikällan för nästa generation.

Hög protonledning som observeras i biomaterial som socker och proteinderivat tillskrivs närvaron av protondonerande funktionella grupper (substituenter i en molekyl som styr dess karakteristiska kemiska reaktioner). Dock, den exakta mekanismen för protontransport i dessa material är inte klart förstådd (till exempel, om protonerna föredrar att flöda längs biomaterialets yta, dvs gränssnittstransport, eller genom huvuddelen). Dessutom, det är inte klart hur koncentrationen av den funktionella gruppen kan påverka protontransportvägar.

Mot denna bakgrund, i en ny studie som nyligen publicerats i tidskriften Elektrokemi , ett team av forskare från Japan, leds av Assoc.Prof. Yuki Nagao från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) och Athchaya Suwansoontorn, en Ph.D. student vid JAIST, samt Assoc.Prof. Katsuhiro Yamamoto från Nagoya Institute of Technology, Prof. Shusaku Nagano från Rikkyo University och Prof. Jun Matsui från Yamagata University, försökte utforska hur protonledning påverkades i styrenbaserade polymerer med förändringen i koncentrationen av karboxylsyra, en protondonerande organisk syra som ofta finns i biomaterial. Suwansoontorn förklarar motiveringen för deras forskning:"Studien av protontransportvägar är fundamentalt viktigt för att klargöra hur många biologiska system fungerar."

Forskargruppen syntetiserade systematiskt polymerer med olika koncentrationer av karboxylsyra och preparerade dem som tunna filmer med hög yta-till-bulk-kvot för att möjliggöra undersökning av gränsyttransportegenskaper. Efter detta, de karakteriserade polymerstrukturerna med användning av en mängd olika standardiserade karaktäriseringstekniker.

Forskargruppen observerade närvaron av två typer av karboxylsyragrupper (COOH) i polymererna:fria COOH-grupper, som var rikare vid högre koncentrationer, och cykliska dimer-COOH-grupper, som förekom i låga koncentrationer. För att korrelera detta med protontransport, forskarna undersökte protonledning i planet med hjälp av impedansspektroskopi och beräknade gränsytresistansen för att mäta möjligheten till gränssnittstransport.

De fann att en hög COOH-koncentration var mer gynnsam för intern protontransport medan lägre koncentrationer gynnade gränssnittstransport. De tillskrev detta till närvaron av fria COOH -grupper vid höga koncentrationer som genererade fler vätebindningsnät, underlättar protonledning. Vidare, de verifierade denna idé genom att visa att ett högre antal fria COOH-grupper på gränssnittet ledde till högre gränssnittsledning.

"Vår forskning kan bidra till att utveckla bioledande material för biologiska enheter som är involverade i protonledning och miljövänliga bränsleceller, " säger Suwansoontorn, överväger de praktiska konsekvenserna av resultaten. "Från ett bredare perspektiv, det kan underlätta människors liv genom att stödja biologisk teknik och utveckling av grön energi."

För att bekämpa klimatförändringarna, grönare energi är timmens behov. I det sammanhanget, resultaten av denna studie lovar några spännande konsekvenser att se fram emot, Säkert!