Ученые предполагали, что протоны проникают через плотную структуру графена при помощи отверстий в ней. Однако авторы новой статьи использовали метод сканирующей электрохимической клеточной микроскопии, чтобы визуализировать пространственное распределение протонных токов через графеновые мембраны, и выяснили, что никаких дефектов в решетке графена нет. Сам материал оказался проницаемым для протонов. Более того, протонные токи ускоряются благодаря нанометровым морщинам в кристалле. Это открытие поможет в разработке катализаторов, сепараторов и мембран. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Углерод — один из самых распространенных элементов на Земле. Он образует несколько форм, которые различаются по свойствам и структуре. Такие вещества называют аллотропными модификациями. В природе встречаются две аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. Остальные, такие как фуллерен, углеродные нанотрубки, карбин и другие, получают ученые. Из них наибольший интерес представляет графен. Это двумерный материал, который образован слоем атомов углерода толщиной в один атом. Он один из самых прочных, тонких, тепло- и электропроводных веществ. Ученые долгое время были уверены, что графен плохо проницаем для протонов, ядер атомов водорода. Теоретические расчеты показывали, что протону понадобятся миллиарды лет, чтобы проникнуть через плотную сотовидную кристаллическую решетку. Однако десять лет назад исследователи из Манчестерского университета показали обратное. Тогда возникли предположения, что протоны проникают не через структуру материала, а через крошечные отверстия в ней.
Теперь команда исследователей воспользовалась методом сканирующей электрохимической клеточной микроскопии, в котором специальный зонд измеряет мельчайшие локальные протонные токи с образца. С его помощью авторы визуализировали пространственное распределение протонных токов через графеновые мембраны. Если бы теория ученых была верна, то на изображении должны были быть изолированные друг от друга пятна. Они представляли бы собой те самые отверстия, через которые проникают протоны. Однако авторы не нашли никаких дефектов. Это доказательство того, что графен по своей природе проницаем для протонов.
Неожиданно авторы также обнаружили, что нанометровые морщины в кристаллах будто растягивают решетку графена. Таким образом они обеспечивают большее пространство для проникновения, и протонные токи ускоряются.
Исследование открывает новые возможности для проектирования мембран и сепараторов. «Использование каталитической активности ряби и морщин в 2D кристаллах — это принципиально новый способ ускорения переноса ионов и химических реакций. Это может привести к разработке недорогих катализаторов для технологий, связанных с использованием водорода», — рассказали ученые.
Автор: Дарья Моисеенкова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
