Un mecanismo permite la transferencia de protones a través del grafeno

El grafeno es un material sobre el que se han depositado muchas expectativas. Proviene del grafito y está constituido por partículas de carbono que se agrupan formando hexágonos en una lámina de un solo átomo de espesor. De esta forma, es ligero y flexible pero muy consistente, es muy buen conductor de la electricidad y tiene otras muchas propiedades que permiten imaginar numerosos desarrollos tecnológicos.

Una investigación publicada hoy en Nature Communications parece añadir incluso nuevas posibilidades a este panorama tan prometedor. Investigadores de Estados Unidos y Puerto Rico han hallado un mecanismo por el que se produce una transferencia de protones, partículas del núcleo del átomo con carga eléctrica positiva, a través del grafeno. Según los científicos, este fenómeno, que se ha identificado en una solución acuosa, podría ser un paso importante para mejorar las pilas de combustible.

Estudios computacionales anteriores habían indicado que los protones no pueden traspasar una capa de grafeno a temperatura ambiente salvo que se introduzcan orificios a muy pequeña escala o que haya impurezas, mientras que algunos estudios experimentales habían demostrado que esa transferencia se puede producir. Ahora, los equipos liderados por el brasileño Pasquale Fulvio, de la Universidad de Puerto Rico, y Franz Geiger, de la Universidad Northwestern de Illinois, junto a otros investigadores de varios centros de Estados Unidos, han determinado la forma de conseguirlo.

Al colocar una capa de grafeno en la parte superior de sílice fundida y pasarla a una solución acuosa, los científicos han visto cómo los protones son capaces de atravesarla y que esto tiene lugar porque se producen de forma natural defectos atómicos. Solo con que ocurran unas pocas de estas anomalías en cada micra cuadrada de la lámina de grafeno es suficiente para permitir una rápida transferencia de protones.

La aplicación práctica más inmediata de este hallazgo puede estar en las pilas de combustible, según los autores de la investigación. Estos dispositivos, también llamados células o celdas de combustible, son similares a las baterías y transforman la energía química en eléctrica. Como fuente de energía parecen ser una buena alternativa para dispositivos móviles e incluso en lugares remotos como naves espaciales o estaciones meteorológicas alejadas.

Esta investigación sobre la interacción entre el grafeno y los protones podría ser el primer paso para aumentar la eficiencia de las celdas de combustible. Aunque las hay de distintos tipos, en algunos de los modelos el intercambio de protones a través de membranas es uno de los factores clave para su funcionamiento.

Además, “los resultados nos indican que para desarrollar esta aplicación no es necesario lograr una síntesis de grafeno perfecta, que es difícil de lograr, sino que se necesitan los defectos que describimos en el artículo”, explica Franz Geiger a Sinc.

Para llevar a cabo la investigación, los científicos utilizaron microscopía avanzada basada en tecnología láser que permite realizar observaciones a nivel atómico, así como cálculos informáticos acerca de la transferencia de protones a través de grafeno.

Tras este hallazgo, los científicos afrontan el reto de determinar de forma más precisa la densidad que los defectos deben tener en la capa de grafeno, sobre todo para trabajar a mayor escala.