Пластичный материал со свойствами металла

Пластик ведет себя как металлическая структура материала

Группа ученых из Чикагского университета открыла способ создания материала, в котором молекулярные фрагменты перемешаны и неупорядочены, но при этом могут очень хорошо проводить электричество. Это противоречит всем известным нам правилам проводимости. Выше представлено представление художника о решетке. Предоставлено: Иллюстрация Фрэнка Веглоски.

«Как проводящий пластилин»: прорыв может указать путь к новому классу материалов для электронных устройств.

Ученые из Чикагского университета нашли способ создать материал, который можно сделать как пластик, но проводить электричество больше, чем металл.

Исследование показывает, как создать материал, в котором молекулярные фрагменты перемешаны и неупорядочены, но при этом могут очень хорошо проводить электричество. Оно было опубликовано 26 октября в журнале Nature.

Это идет вразрез со всеми известными нам правилами проводимости — для ученого это все равно, что увидеть машину, которая едет по воде и все еще движется со скоростью 70 миль в час. Но открытие также может оказаться чрезвычайно полезным. Часто на пути к изобретению чего-то революционного процесс начинается с открытия совершенно нового материала.

«В принципе, это открывает возможности для разработки совершенно нового класса материалов, которые проводят электричество, легко поддаются формованию и очень прочны в повседневных условиях», — сказал Джон Андерсон, доцент кафедры химии Чикагского университета. старший автор исследования. «По сути, это предлагает новые возможности для чрезвычайно важной технологической группы материалов», — сказал Цзязе Се (доктор философии, 22 года, сейчас работает в Принстоне), первый автор статьи.

«Нет твердой теории, объясняющей это»

• Если вы создаете какое-либо электронное устройство, будь то iPhone, солнечная панель или телевизор, проводящие материалы абсолютно необходимы. Металлы, такие как медь, золото и алюминий, безусловно, являются самой старой и самой большой группой проводников.
• Затем, около 50 лет назад, ученые смогли создать проводники из органических материалов, используя химическую обработку, известную как «легирование», которая разбрызгивает различные атомы или «примеси» по всему материалу. Тот факт, что эти материалы более гибкие и с ними легче работать, чем с обычными металлами, делает их привлекательными, но проблема в том, что они не особенно стабильны и могут потерять свою проводимость при воздействии влаги или при слишком высоком повышении температуры.
• Однако, в сущности, как органические, так 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 прямые, упорядоченные ряды, чтобы эффективно проводить электричество.

Затем Се начал экспериментировать с некоторыми материалами, которые были обнаружены много лет назад, но с тех пор в значительной степени игнорировались. Он нанизал атомы никеля, словно жемчужины, на нить 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 больше всего ученых поразило то, что молекулярная структура материала оказалась неупорядоченной. «С фундаментальной точки зрения это не должно быть металлом», — сказал Андерсон. «Нет твердой 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, не образуя аккуратной стопки 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.

К удивлению ученых, материал легко и сильно проводил электричество.

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.

Группа ученых из Чикагского университета открыла способ создания материала, который можно сделать как пластик, но проводить электричество больше, чем металл. Вверху сотрудники лаборатории Андерсона за работой. Предоставлено: Фото Джона Зича/Чикагский университет.

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

Метки: полимеры