Des chercheurs de l'Université de Manchester ont découvert que les micas atomiquement minces – le nom donné à un type de minéral commun trouvé dans le sol – sont d'excellents conducteurs de protons. Ce résultat surprenant est important pour l'utilisation de matériaux 2D dans des applications telles que les piles à combustible et d'autres technologies liées à l'hydrogène.

Précédemment, les chercheurs de Manchester dirigés par le professeur Andre Geim et le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo ont découvert que les matériaux d'un atome d'épaisseur comme le graphène sont très perméables aux protons, noyaux d'atomes d'hydrogène. Cependant, ils ont également découvert que d'autres matériaux 2D tels que le sulfure de molybdène (MoS2), qui n'avaient que trois atomes d'épaisseur, étaient complètement imperméables aux protons. Ces résultats suggèrent que seuls des cristaux d'un atome d'épaisseur pourraient être perméables aux protons.

Écrire dans Nature Nanotechnologie , l'équipe a montré que les protons peuvent facilement traverser les micas à quelques couches malgré le fait qu'ils sont 10 fois plus épais que le graphène. Mica, comme le graphite, se composent de couches de cristal empilées les unes sur les autres et peuvent être découpées en une seule couche. L'équipe a isolé l'une de ces couches et a découvert qu'elle était 100 fois plus perméable aux protons que le graphène.

A première vue, ce résultat semble impossible car les micas sont trop épais pour que les protons pénètrent - ils sont beaucoup plus épais que le MoS monocouche 2 qui est complètement imperméable aux protons. Cependant, les micas peuvent être considérés comme des plaques de cristal percées de canaux tubulaires. Ces canaux ne sont pas vides mais remplis de groupes hydroxyle qui ressemblent aux chaînes unidimensionnelles conductrices de protons dans l'eau. Les protons sautent le long de ces chaînes, transformer le matériau en un excellent conducteur de protons.

Lucas Mogg, un doctorat étudiant sur le projet et le premier auteur de l'article a déclaré:"Nous avons constaté que la conductivité des protons dans les micas atomiquement minces est 10 à 100 fois supérieure à celle du graphène. C'est encourageant car le graphène est déjà considéré comme un matériau conducteur de protons prometteur. Nos résultats montrent que les micas pourraient être encore plus prometteurs, notamment parce qu'ils sont abondants et peu coûteux."

Le professeur Andre Geim a déclaré:"Le résultat implique également que de nombreux autres matériaux 2D pourraient être transformés en conducteurs de protons. Notre stratégie ne se limite pas aux protons ou aux micas. Beaucoup plus de cristaux 2D avec des canaux à l'échelle atomique similaires à ceux des micas pourrait être exploré, apportant, espérons-le, des phénomènes inattendus et de nouvelles applications dans le domaine des conducteurs protons et ioniques."

Les chercheurs ont également découvert que les micas deviennent particulièrement hautement conducteurs dans une plage de températures notoirement inaccessible pour les technologies associées.

Le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo a déclaré :« Il y a un manque de matériaux conducteurs de protons qui peuvent fonctionner de manière fiable entre 100°C et 500°C. Cependant, il s'agit de la plage de températures idéale pour un fonctionnement optimal des piles à combustible et d'autres technologies à hydrogène. Les micas atomiquement minces fonctionnent plutôt bien dans cette plage de températures - ils méritent l'attention de ce point de vue. »

Par ailleurs, les chercheurs disent qu'ils travaillent actuellement à la construction d'un prototype de membrane en mica suffisamment grand pour être testé dans des conditions industrielles. Ils sont également optimistes quant aux possibilités qu'ouvrent ces recherches en termes de recherche fondamentale. Les travaux montrent que le domaine des conducteurs ioniques bidimensionnels est très prometteur en raison de la richesse d'autres cristaux qui pourraient être transformés en conducteurs ioniques et protons.

L'article Les micas atomiquement minces comme membranes conductrices de protons sera publié sur Nature Nanotechnologie .