Northwestern Engineering professor Jiaxing Huang har utvecklat en billigare, stabilare protonledande system. För att hitta nyckelingrediensen, han behövde inte leta längre än till sin egen bakgård.

"Vi använde en lera som du kan köpa i en trädgårdsbutik, sa Huang, docent i materialvetenskap och teknik vid Northwestern Universitys McCormick School of Engineering. "Jag gillar att kalla det ett jordnära material."

När en proton transporteras, den genererar en elektrisk ström som spelar en nyckelroll i både naturen och tekniken. Ingenjörer är särskilt intresserade av att utnyttja protonledning för katalys, elektrokemiska sensorer och reaktorer, och skörda energi. I bränsleceller, till exempel, en proton måste transporteras över ett membran för att nå en katod, fullborda omvandlingen av kemisk energi till elektricitet.

I celler, protoner kan transporteras genom nanoporer som bildas av membranproteiner. Ingenjörer har försökt efterlikna detta genom att skapa konstgjorda protonnanokanaler. Under de senaste 20 åren, de har använt nanolitografi för att skapa nanokanaler i kisel, glas, och andra material för att förbättra jontransport och konduktivitet. Dessa nanokanaler resulterar i högre konduktivitet, men det finns två stora problem:nanolitografi är komplex och dyr, och det slutliga materialet är svårt att producera i stor skala.

"Många typer av nanokanaler har demonstrerats på ett substrat, ", sa Huang. "Men det har varit svårt att producera dem i stora mängder, säga, ett substrat fyllt med nanokanaler."

Huangs nya lösning drar nytta av lerans naturliga egenskaper. När tvådimensionella ark av leran, kallas vermikulit, exfolieras i vatten, de bär negativa laddningar, attraherar positivt laddade protoner. Efter att lakan har torkat, de självmonterar till pappersliknande filmer. Avståndet på nära 1 nanometer mellan lagren fungerar som nanokanaler som kan koncentrera protoner för ledning.

Stöds av Office of Naval Research och Northwesterns Material Research Science and Engineering Center, Huangs forskning beskrivs i en artikel som publicerades den 13 juli Naturkommunikation . Andra författare till tidningen inkluderar den tidigare gästande studenten Jiao-Jing Shao, tidigare postdoktor Kalyan Raidonga, och doktorand Andrew Koltonow. Shao och Raidongo har avslutat sin utbildning på Northwestern och är nu professorer i Kina och Indien, respektive.

Jämfört med grafenbaserade ark och andra tvådimensionella material, lerskikt har betydande fördelar för att konstruera jonledande anordningar och material. Lera är lättillgänglig och kan exfolieras i vatten genom jonbyte, som är mycket mer godartad än den kemiska exfoliering som behövs för grafen och andra material. Den har också enastående kemisk och termisk stabilitet, klarar av temperaturer över 500 grader Celsius.

"Lera har enastående termisk stabilitet, "Sade Huang. "Vi vill skapa ett protonledande system som kan hålla mycket höga temperaturer eftersom några av de bästa protonledande materialen där ute inte kan göra det."

Enkelheten i materialbearbetningsteknikerna som krävs för att producera sådana 2D nanokanaler gör det lätt att skala upp. Därför, istället för att resultera i ett litet antal kanaler, över 30 procent av volymen av Huangs lermembran är gjord av protonledande nanokanaler.

Huang kallar sitt lermembran för ett nytt exempel på "bulk nanostrukturerade material, " som hänvisar till en makroskopisk form av material med strukturella enheter i nanometerskala. Bulk nanostrukturmaterial är av stort intresse, delvis för att de har nya egenskaper som är ohållbara för deras nanostrukturerade enheter.

I detta fall, de enskilda lerskivorna har inte protonledande egenskaper. De måste monteras ansikte mot ansikte för att generera den slutliga bulkformen av material, där alla arken tillsammans stödjer de protonledande egenskaperna.

"Vi studerar nanomaterial bortom den individuella nanostrukturerade enheten, " sa han. "Detta är ett bulkmaterial som lätt kan ses, manipulerad, och används."