Материал, производящийся как пластик, но по свойствам как металл

Ученые открыли материал, производящийся как пластик, но по свойствам как металл.

Ученые из Чикагского университета нашли способ создать материал, который можно изготовить как пластик, но проводит электричество как металл.

Исследование, опубликованное 26 октября в журнале Nature, показывает, как создать материал, в котором молекулярные фрагменты перемешаны и не упорядочены, но при этом могут очень хорошо проводить электричество.

Это идет вразрез со всеми известными нам правилами электропроводности — для ученого это все равно, что увидеть машину, движущуюся по воде и все еще движущуюся со скоростью 70 миль в час. Но открытие также может быть чрезвычайно полезным; если вы хотите изобрести что-то революционное, процесс часто начинается с открытия совершенно нового материала.

«В принципе, это открывает возможности для разработки совершенно нового класса материалов, которые проводят электричество, легко поддаются формовке и очень прочны в повседневных условиях», — сказал Джон Андерсон, доцент кафедры химии Чикагского университета, старший автор исследования. «По сути, это открывает новые возможности для чрезвычайно важной технологической группы материалов», — сказал Цзязе Се (работает в Принстоне), первый автор статьи.

 

 

«Нет теории, объясняющей это»

Проводящие материалы абсолютно необходимы, если вы делаете какое-либо электронное устройство, будь то iPhone, солнечная панель или телевизор. На сегодняшний день самая старая и самая многочисленная группа проводников – это металлы: медь, золото, алюминий. Затем, около 50 лет назад, ученые смогли создать проводники из органических материалов, используя химическую обработку, известную как «легирование», при которой через материал впрыскиваются различные атомы или электроны. Это выгодно, потому что эти материалы более гибкие и их легче обрабатывать, чем традиционные металлы, но проблема в том, что они не очень стабильны; они могут потерять свою проводимость при воздействии влаги или при слишком высокой температуре.

Но, по сути, и эти органические, и традиционные металлические проводники имеют общие характеристики. Они состоят из прямых, плотно упакованных рядов атомов или молекул. Это означает, что электроны могут легко проходить через материал, как автомобили на шоссе. Фактически, ученые думали, что материал должен иметь эти прямолинейные, упорядоченные ряды, чтобы эффективно проводить электричество.

Затем Се начал экспериментировать с некоторыми материалами, открытыми много лет назад, но по большей части игнорировавшимися. Он нанизал атомы никеля, как жемчужины, на цепочку молекулярных шариков из углерода и серы и начал испытания.

К удивлению ученых, материал легко и сильно проводил электричество. Более того, он был очень стабильным. «Мы нагревали его, охлаждали, подвергали воздействию воздуха и влажности и даже капали на него кислотой и щелочью, и ничего не произошло», — сказал Се. Это чрезвычайно полезно для устройства, которое должно функционировать в реальном мире.

Но самым поразительным для ученых было то, что молекулярная структура материала была неупорядоченной. «С фундаментальной точки зрения это не должно быть металлом», — сказал Андерсон. «Нет теории, объясняющей это».

Се, Андерсон и их лаборатория работали с другими учеными университета, пытаясь понять, как материал может проводить электричество. После испытаний, симуляций и теоретической работы они пришли к выводу, что материал образует слои, как листы в лазанье. Даже если листы вращаются вбок, больше не образуя аккуратную стопку лазаньи, электроны все равно могут двигаться горизонтально или вертикально — до тех пор, пока кусочки соприкасаются.

Конечный результат беспрецедентен для проводящего материала. «Это почти то же самое, что проводящий пластилин Play-Doh — вы можете положить его на место, и он проводит электричество», — сказал Андерсон.

Ученые взволнованы, потому что открытие предлагает принципиально новый принцип проектирования электронных технологий. Они объяснили, что проводники настолько важны, что практически любая новая разработка открывает новые направления для технологий.

Одной из привлекательных характеристик материала являются новые возможности обработки. Например, металлы обычно приходится плавить, чтобы придать им правильную форму для чипа или устройства, что ограничивает то, что вы можете сделать с ними, поскольку другие компоненты устройства должны выдерживать тепло, необходимое для обработки. эти материалы.

Новый материал не имеет такого ограничения, поскольку его можно производить при комнатной температуре. Его также можно использовать там, где необходимость в том, чтобы устройство или части устройства выдерживали воздействие тепла, кислоты, щелочи или влажности, ранее ограничивало возможности инженеров по разработке новых технологий.

Команда также изучает различные формы и функции, которые может выполнять материал. «Мы думаем, что можем сделать его двумерным или трехмерным, сделать его пористым или даже ввести другие функции, добавив различные компоновщики или узлы», — сказал Се.

Источник: Jiaze Xie, Simon Ewing, Jan-Niklas Boyn, Alexander S. Filatov, Baorui Cheng, Tengzhou Ma, Garrett L. Grocke, Norman Zhao, Ram Itani, Xiaotong Sun, Himchan Cho, Zhihengyu Chen, Karena W. Chapman, Shrayesh N. Patel, Dmitri V. Talapin, Jiwoong Park, David A. Mazziotti, John S. Anderson. Intrinsic glassy-metallic transport in an amorphous coordination polymer. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05261-4