Le professeur d'ingénierie du nord-ouest Jiaxing Huang a développé un système conducteur de protons plus stable. Pour trouver l'ingrédient clé, il n'avait pas à chercher plus loin que son propre jardin.

"Nous avons utilisé une argile que vous pouvez acheter dans un magasin de jardinage, " dit Huang, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University. "J'aime appeler ça un matériau 'terre-à-terre'."

Lorsqu'un proton est transporté, il génère un courant électrique qui joue un rôle clé à la fois dans la nature et dans la technologie. Les ingénieurs sont particulièrement intéressés par l'exploitation de la conduction protonique pour la catalyse, capteurs et réacteurs électrochimiques, et la récupération d'énergie. Dans les piles à combustible, par exemple, un proton doit traverser une membrane pour atteindre une cathode, achever la conversion de l'énergie chimique en électricité.

Dans les cellules, les protons peuvent être transportés à travers des nanopores formés par des protéines membranaires. Les ingénieurs ont essayé d'imiter cela en créant des nanocanaux artificiels de protons. Depuis 20 ans, ils ont utilisé la nanolithographie pour créer des nanocanaux en silicium, un verre, et d'autres matériaux pour améliorer le transport ionique et la conductivité. Ces nanocanaux entraînent une conductivité plus élevée, mais il y a deux problèmes majeurs :la nanolithographie est complexe et coûteuse, et le matériau final est difficile à produire à grande échelle.

« De nombreux types de nanocanaux ont été mis en évidence sur un substrat, " a dit Huang. " Mais il a été difficile de les produire en grande quantité, dire, un substrat rempli de nanocanaux."

La nouvelle solution de Huang capitalise sur les propriétés naturelles de l'argile. Lorsque les feuilles bidimensionnelles de l'argile, appelé vermiculite, sont exfoliés à l'eau, ils portent des charges négatives, attirer des protons chargés positivement. Une fois les feuilles sèches, ils s'auto-assemblent en films semblables à du papier. L'espacement de près de 1 nanomètre entre les couches sert de nanocanaux qui peuvent concentrer les protons pour la conduction.

Soutenu par l'Office of Naval Research et le Materials Research Science and Engineering Center de Northwestern, Les recherches de Huang sont décrites dans un article publié le 13 juillet dans Communication Nature . D'autres auteurs de l'article incluent l'ancien étudiant invité Jiao-Jing Shao, ancien chercheur postdoctoral Kalyan Raidonga, et étudiant diplômé Andrew Koltonow. Shao et Raidongo ont terminé leur formation à Northwestern et sont maintenant professeurs en Chine et en Inde, respectivement.

Par rapport aux feuilles à base de graphène et à d'autres matériaux bidimensionnels, les couches d'argile présentent des avantages significatifs pour la construction de dispositifs et de matériaux conducteurs d'ions. L'argile est facilement disponible et peut être exfoliée dans l'eau par échange ionique, ce qui est beaucoup plus bénin que l'exfoliation chimique nécessaire pour le graphène et d'autres matériaux. Il a également une stabilité chimique et thermique extraordinaire, capable de résister à des températures supérieures à 500 degrés Celsius.

"L'argile a une stabilité thermique extraordinaire, ", a déclaré Huang. "Nous voulons créer un système conducteur de protons capable de supporter des températures très élevées, car certains des meilleurs matériaux conducteurs de protons ne peuvent pas le faire."

La simplicité des techniques de traitement des matériaux nécessaires à la production de tels nanocanaux 2D facilite leur mise à l'échelle. Par conséquent, au lieu d'aboutir à un petit nombre de canaux, plus de 30 pour cent du volume de la membrane d'argile de Huang est constitué de nanocanaux conducteurs de protons.

Huang appelle sa membrane d'argile un nouvel exemple de « matériaux nanostructurés en vrac, " qui fait référence à une forme macroscopique de matériaux avec des unités structurelles à l'échelle nanométrique. Les matériaux nanostructurés en vrac sont d'un grand intérêt, en partie parce qu'ils ont de nouvelles propriétés qui sont intenables pour leurs unités nanostructurées.

Dans ce cas, les feuilles d'argile individuelles n'ont pas de propriétés conductrices de protons. Ils doivent s'assembler face à face pour générer la forme finale de matériau en vrac, dans lequel toutes les feuilles supportent collectivement les propriétés conductrices de protons.

"Nous étudions les nanomatériaux au-delà de l'unité nanostructurée individuelle, " il a dit. " C'est un matériau en vrac qui peut être facilement vu, manipulé, et utilisé."