Naukowcy z University of Chicago odkryli sposób na stworzenie materiału, który może być wykonany jak plastik, ale przewodzi elektryczność bardziej jak metal.
Badania, opublikowane 26 października w Nature, pokazują, jak zrobić rodzaj materiału, w którym fragmenty molekularne są pomieszane i nieuporządkowane, ale nadal mogą bardzo dobrze przewodzić elektryczność.
Jest to sprzeczne ze wszystkimi znanymi nam zasadami przewodnictwa – dla naukowca jest to rodzaj widzenia samochodu jadącego po wodzie i wciąż jadącego 70 mil na godzinę. Ale odkrycie może być również niezwykle przydatne; jeśli chcesz wymyślić coś rewolucyjnego, proces często zaczyna się od odkrycia zupełnie nowego materiału.
„Zasadniczo otwiera to możliwość projektowania zupełnie nowej klasy materiałów, które przewodzą elektryczność, są łatwe do kształtowania i są bardzo wytrzymałe w codziennych warunkach” – powiedział John Anderson, profesor chemii na Uniwersytecie w Chicago. starszy autor badania. „Zasadniczo sugeruje to nowe możliwości dla niezwykle ważnej grupy materiałów technologicznych” – powiedział Jiaze Xie (PhD’22, obecnie w Princeton), pierwszy autor artykułu.
„Nie ma solidnej teorii, która mogłaby to wyjaśnić”
Materiały przewodzące są absolutnie niezbędne, jeśli tworzysz jakiekolwiek urządzenie elektroniczne, czy to iPhone, panel słoneczny czy telewizor. Zdecydowanie najstarszą i największą grupą przewodników są metale: miedź, złoto, aluminium. Następnie, około 50 lat temu, naukowcy byli w stanie stworzyć przewodniki wykonane z materiałów organicznych, stosując obróbkę chemiczną znaną jako „doping”, która rozpryskuje różne atomy lub elektrony przez materiał. Jest to korzystne, ponieważ materiały te są bardziej elastyczne i łatwiejsze w obróbce niż tradycyjne metale, ale problem polega na tym, że nie są bardzo stabilne; mogą stracić przewodnictwo, jeśli zostaną wystawione na działanie wilgoci lub jeśli temperatura stanie się zbyt wysoka.
Zasadniczo jednak oba te przewodniki organiczne i tradycyjne metalowe mają wspólną cechę. Składają się z prostych, ściśle upakowanych rzędów atomów lub cząsteczek. Oznacza to, że elektrony mogą z łatwością przepływać przez materiał, podobnie jak samochody na autostradzie. W rzeczywistości naukowcy sądzili, że materiał musi mieć te proste, uporządkowane rzędy, aby skutecznie przewodzić prąd.
Następnie Xie zaczął eksperymentować z niektórymi materiałami odkrytymi lata temu, ale w dużej mierze zignorowanymi. Włożył atomy niklu jak perły w sznur molekularnych kulek wykonanych z węgla i siarki i zaczął testować.
Ku zdumieniu naukowców materiał łatwo i silnie przewodził prąd. Co więcej, był bardzo stabilny. „Podgrzewaliśmy go, schładzaliśmy, wystawialiśmy na działanie powietrza i wilgoci, a nawet kapiliśmy na niego kwasem i zasadą i nic się nie stało” – powiedział Xie. Jest to niezwykle pomocne w przypadku urządzenia, które musi działać w prawdziwym świecie.
Jednak dla naukowców najbardziej uderzające było to, że struktura molekularna materiału była nieuporządkowana. „Z podstawowego obrazu nie powinno to być metalem” – powiedział Anderson. „Nie ma solidnej teorii, która mogłaby to wyjaśnić”.
Xie, Anderson i ich laboratorium współpracowali z innymi naukowcami z całego uniwersytetu, próbując zrozumieć, w jaki sposób materiał może przewodzić elektryczność. Po testach, symulacjach i pracach teoretycznych uważają, że materiał tworzy warstwy, jak arkusze w lasagne. Nawet jeśli arkusze obracają się na boki, nie tworząc już zgrabnego stosu lasagne, elektrony mogą nadal poruszać się poziomo lub pionowo – tak długo, jak kawałki się zetkną.
Efekt końcowy jest bezprecedensowy jak na materiał przewodzący. „To prawie jak przewodzący Play-Doh – można go wcisnąć na miejsce i przewodzi prąd” – powiedział Anderson.
Naukowcy są podekscytowani, ponieważ odkrycie sugeruje całkowicie nową zasadę projektowania technologii elektronicznej. Przewodniki są tak ważne, że praktycznie każdy nowy rozwój otwiera nowe linie dla technologii – wyjaśnili.
Jedną z atrakcyjnych cech materiału są nowe możliwości obróbki. Na przykład, metale zwykle muszą zostać przetopione, aby uzyskać odpowiedni kształt dla chipa lub urządzenia, co ogranicza to, co można z nich zrobić, ponieważ inne elementy urządzenia muszą być w stanie wytrzymać ciepło potrzebne do przetwarzania te materiały.
Nowy materiał nie ma takiego ograniczenia, ponieważ można go wytwarzać w temperaturze pokojowej. Może być również używany tam, gdzie potrzeba, aby urządzenie lub jego elementy były odporne na wysoką temperaturę, kwasy, zasady lub wilgotność, wcześniej ograniczały możliwości inżynierów do opracowania nowej technologii.
Zespół bada również różne formy i funkcje, jakie może pełnić materiał. „Sądzimy, że możemy uczynić go 2-D lub 3-D, uczynić go porowatym, a nawet wprowadzić inne funkcje, dodając różne łączniki lub węzły” – powiedział Xie.