Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago odkryli sposób na stworzenie materiału, który może być wykonany jak plastik, ale przewodzi prąd bardziej jak metal. Badania wykazały, że fragmenty molekularne nowego tworzywa są pogmatwane i nieuporządkowane, ale nadal mogą wyjątkowo dobrze przewodzić elektryczność.
Jest to sprzeczne ze wszystkimi zasadami, jakie znamy w odniesieniu do przewodnictwa. Dla naukowca to trochę tak, jakby zobaczyć samochód jadący po wodzie z prędkością 70 km/h. Ale odkrycie to może być również niezwykle przydatne.
- Nasze odkrycie otwiera możliwość projektowania zupełnie nowej klasy materiałów, które przewodzą prąd, są łatwe w kształtowaniu i bardzo wytrzymałe – mówi współautor pracy prof. John Anderson z Uniwersytetu w Chicago. - Zasadniczo daje to zupełnie nowe możliwości dla niezwykle ważnej technologicznie grupy materiałów – dodaje główny autor odkrycia dr Jiaze Xie.
Wyniki prac i opis niezwykłego materiału opublikowano w czasopiśmie „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-022-05261-4).
Materiały przewodzące są absolutnie niezbędne dla każdego urządzenia elektronicznego, czy jest to iPhone, panel słoneczny, czy telewizor. Zdecydowanie najstarszą i największą grupą przewodników są metale: miedź, złoto, aluminium. Około 50 lat temu, naukowcy nauczyli się tworzenia przewodników z materiałów organicznych, stosując wobec nich obróbkę chemiczną.
Było to ważne odkrycie, ponieważ materiały organiczne są bardziej elastyczne i łatwiejsze w obróbce niż tradycyjne metale. Jednak problem polega na tym, że nie są one zbyt stabilne: mogą stracić swoje właściwości, 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. Są zbudowane z prostych, ściśle upakowanych rzędów atomów lub molekuł. Oznacza to, że elektrony mogą łatwo przepływać przez materiał, podobnie jak samochody jadące na autostradzie. W rzeczywistości naukowcy uważali, że materiał musi mieć takie proste, uporządkowane rzędy, aby skutecznie przewodzić prąd.
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 łatwo i silnie przewodził prąd. Co więcej, był bardzo stabilny. - Podgrzewaliśmy go, chłodziliśmy, wystawialiśmy na działanie powietrza i wilgoci, a nawet traktowaliśmy go kwasami i zasadami i nic się nie działo – mówi Xie. To bardzo ważna odporność dla urządzeń, które muszą funkcjonować w prawdziwym świecie.
Ale dla naukowców najbardziej uderzające było to, że struktura materiału była nieuporządkowana. - Z fundamentalnego obrazu, to nie powinno być w stanie przewodzić prądu. Nie ma solidnej teorii, która by to wyjaśniała – mówi prof. Anderson.
Xie, Anderson i ich współpracownicy pracowali z innymi naukowcami, aby zrozumieć, jak materiał może przewodzić prąd. Po testach, symulacjach i pracach teoretycznych, doszli do wniosku, że materiał tworzy warstwy, jak arkusze poukładanych na sobie kartek papieru. Nawet jeśli arkusze obracają się na boki, czy są wyginane i przestają tworzyć zgrabną ryzę papieru, to elektrony mogą nadal poruszać się w poziomie lub w pionie - tak długo, jak kawałki materiału się stykają.
Efekt końcowy jest niespotykany w przypadku materiału przewodzącego. - To prawie jak przewodząca plastelina. Możesz ją zgnieść i dowolnie formować, a ona nadal przewodzi prąd - mówi Anderson.
Naukowcy są podekscytowani, ponieważ odkrycie daje podwaliny pod zupełnie nowe metody projektowania technologii elektronicznych. Przewodniki są tak ważne, że praktycznie każdy nowy wynalazek w tej dziedzinie otwiera nowe możliwości.
Jedną z pożądanych i wyjątkowych cech materiału są nowe możliwości jego przetwarzania. Na przykład, metale zazwyczaj muszą być topione, aby nadać im odpowiedni kształt.
Nowy materiał nie ma takich ograniczeń i może być wykonany w temperaturze pokojowej. Może być również stosowany w ciepłym, wilgotnym, kwasowym lub zasadowym środowisku. Wcześniej kwestie te ograniczały inżynierów w rozwoju nowych technologii.
Zespół wciąż bada i rozwija różne formy i funkcje materiału. - Myślimy, że będziemy w stanie nadać mu różne formy przestrzenne, nawet uczynić porowatym – tłumaczy Xie.
Źródło: University of Chicago, fot. John Zich/University of Chicago
