Nowy niezwykły materiał: jest jak plastik, ale przewodzi prąd jak metal

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.

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