Naukowcy z University of Chicago odkryli sposób na stworzenie materiału, który może być wykonany jak plastik, ale przewodzi prąd bardziej jak metal.

Badania, opublikowane 26 października w Nature, pokazują, jak stworzyć materiał, w którym fragmenty molekularne są pogmatwane i nieuporządkowane, ale nadal mogą wyjątkowo dobrze przewodzić prąd.

Odkrycie to może być również niezwykle przydatne; jeśli chcesz wynaleźć coś rewolucyjnego, proces ten często zaczyna się najpierw od odkrycia zupełnie nowego materiału.

„W zasadzie otwiera to możliwość projektowania zupełnie nowej klasy materiałów, które przewodzą prąd, są łatwe do kształtowania i bardzo wytrzymałe w codziennych warunkach” – powiedział John Anderson, profesor nadzwyczajny chemii na Uniwersytecie w Chicago i starszy autor badania. „Zasadniczo sugeruje to nowe możliwości dla niezwykle ważnej technologicznie grupy materiałów” – powiedział Jiaze Xie (PhD’22, obecnie w Princeton), pierwszy autor pracy.

’Nie ma solidnej teorii, która by to wyjaśniała’

Materiały przewodzące są absolutnie niezbędne, jeśli tworzysz jakiekolwiek urządzenie elektroniczne, niezależnie od tego, czy jest to iPhone, panel słoneczny, czy telewizor. Zdecydowanie najstarszą i największą grupą przewodników są metale: miedź, złoto, aluminium. Około 50 lat temu, naukowcy byli w stanie stworzyć przewodniki z materiałów organicznych, stosując obróbkę chemiczną znaną jako „doping”, która posypuje 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 one zbyt stabilne; mogą stracić swoją przewodność, jeśli zostaną wystawione na działanie wilgoci lub jeśli temperatura będzie zbyt wysoka.

Ale zasadniczo, zarówno te organiczne jak i tradycyjne metaliczne przewodniki mają wspólną cechę. Składają się z prostych, ściśle upakowanych rzędów atomów lub cząsteczek. Oznacza to, że elektrony mogą łatwo przepływać przez materiał, podobnie jak samochody na autostradzie. W rzeczywistości naukowcy uważali, że materiał musi mieć takie proste, uporządkowane rzędy, aby skutecznie przewodzić prąd.

Następnie Xie zaczął eksperymentować z materiałami odkrytymi wiele lat temu, ale w dużej mierze ignorowanymi. Nawlekł atomy niklu jak perły na sznur molekularnych koralików wykonanych z węgla i siarki i rozpoczął testy.

Ku zdumieniu naukowców, materiał ten łatwo i silnie przewodził prąd. Co więcej, był bardzo stabilny. „Podgrzewaliśmy go, chłodziliśmy, wystawialiśmy na działanie powietrza i wilgoci, a nawet kapaliśmy na niego kwas i zasadę, i nic się nie działo”, powiedział Xie. To ogromnie pomocne dla urządzenia, które musi funkcjonować w prawdziwym świecie.

Ale dla naukowców najbardziej uderzające było to, że struktura molekularna materiału była nieuporządkowana. „Z fundamentalnego obrazu, to nie powinno być w stanie być metalem”, powiedział Anderson. „Nie ma solidnej teorii, która by to wyjaśniała”.

Xie, Anderson i ich laboratorium współpracowali z innymi naukowcami z uniwersytetu, aby spróbować zrozumieć, jak materiał może przewodzić prąd. Po przeprowadzeniu testów, symulacji i prac teoretycznych uznali, że materiał tworzy warstwy, jak arkusze w lasagni. Nawet jeśli arkusze obracają się na boki, nie tworząc już zgrabnego stosu lasagne, elektrony mogą nadal poruszać się w poziomie lub w pionie – tak długo, jak kawałki się stykają.

Efekt końcowy jest bezprecedensowy dla materiału przewodzącego. „To prawie jak przewodząca Play-Doh – możesz ją zgnieść na miejsce i przewodzi prąd” – powiedział Anderson.

Naukowcy są podekscytowani, ponieważ odkrycie sugeruje fundamentalnie nową zasadę projektowania dla technologii elektronicznej. Przewodniki są tak ważne, że praktycznie każdy nowy wynalazek otwiera nowe linie technologiczne, wyjaśnili.

Jedną z atrakcyjnych cech materiału są nowe możliwości jego przetwarzania. Na przykład, metale zazwyczaj muszą być topione, aby nadać im odpowiedni kształt dla chipa lub urządzenia, co ogranicza to, co można z nimi zrobić, ponieważ inne elementy urządzenia muszą być w stanie wytrzymać ciepło potrzebne do obróbki tych materiałów.

Nowy materiał nie ma takiego ograniczenia, ponieważ może być wykonany w temperaturze pokojowej. Może być również stosowany tam, gdzie potrzeba, aby urządzenie lub jego kawałki wytrzymały ciepło, kwasowość lub zasadowość, albo wilgotność, ograniczała wcześniej możliwości inżynierów w zakresie rozwoju nowej technologii.

Zespół bada również różne formy i funkcje, które materiał może wykonać. „Myślimy, że możemy uczynić go 2-D lub 3-D, uczynić go porowatym, a nawet wprowadzić inne funkcje poprzez dodanie różnych łączników lub węzłów”, powiedział Xie.

Źródło: University of Chicago, Louise Lerner