Новый пластикоподобный материал, который ведет себя как металл
Группа исследователей из Чикагского университета нашла способ получения материала, в котором молекулярные фрагменты перемешаны и неупорядочены (как в пластике), но который, тем не менее, очень хорошо проводит электричество. Этот прорыв может проложить путь к созданию нового класса надежных, простых в изготовлении материалов для электроники и многих повседневных устройств.
Не все материалы обладают одинаковыми физическими свойствами из-за их атомной структуры. Так называемые "организованные" (или кристаллические) материалы, такие как металлы, состоят из атомов, ионов или молекул, расположенных в правильные ряды. В "аморфных" материалах, таких как стекло, атомы не имеют определенной организации. Наконец, полимеры, из которых состоят пластиковые материалы, соединены друг с другом линейным или разветвленным способом.
Помимо прочих свойств, внутренняя структура материала диктует его проводимость. Металлы (серебро, медь, золото, алюминий и т.д.) являются самой распространенной и наиболее важной группой проводников. Однако несколько десятилетий назад ученым удалось создать проводящие материалы из органических материалов путем добавления в них небольшого количества "примесей" - этот процесс называется "легированием". Эти легированные материалы более гибкие и легче поддаются обработке, чем традиционные металлы, но они гораздо менее стабильны и могут терять свою проводимость при определенных условиях.
Эффективный и особенно прочный проводник
Эти проводящие органические материалы - допированные органические полимеры, а также молекулярные проводники и новые координационные полимеры - являются основой для многих технологий, от дисплеев до гибкой электроники. Легирование позволяет атомам и молекулам "выстраиваться" в хорошо организованную сеть, как в металле, чтобы электроны могли легко проходить через материал.
Ученые всегда считали, что для эффективного проведения электричества материал должен иметь упорядоченную атомную структуру. "Даже органические материалы, которые по своей природе являются проводящими, такие, как однокомпонентные молекулярные проводники, должны быть кристаллическими, чтобы вести себя металлическим образом", — отмечают исследователи в журнале Nature. Однако их открытие ставит этот принцип под сомнение.
Цзяцзе Се, научный сотрудник химического факультета Чикагского университета, поставил новые эксперименты с аморфным координационным полимером - тетратиафульвалена тетратиолатом никеля. Грубо говоря, это полимер, состоящий из атомов никеля, нанизанных, как жемчужины, на цепочки атомов углерода и серы.
Материал не только легко и хорошо проводил электричество (до 1200 S/см), но и оказался очень стабильным во влажном воздухе в течение нескольких недель, при pH от 0 до 14 и при температуре до 140 °C. "Мы нагревали его, охлаждали, подвергали воздействию воздуха и влаги, даже обливали кислотой и основанием, но ничего не произошло", — сказал Се. Такая прочность, очевидно, будет очень полезна для реального применения.
Открытие, расширяющее возможности электронной промышленности
Эти результаты демонстрируют, что молекулярный дизайн может обеспечить металлическую проводимость даже в сильно неупорядоченных материалах, поднимая фундаментальные вопросы о том, как металлический электропровод может существовать без периодической структуры, пишут исследователи. Молекулярная структура материала действительно сильно удивила Се и его команду. "С фундаментальной точки зрения он не должен быть металлом. Нет надежной теории, объясняющей это", — сказал Джон Андерсон, доцент кафедры химии Чикагского университета и ведущий автор исследования.
Как этот материал мог проводить электричество, если теоретически он не мог этого делать? После нескольких тестов, компьютерного моделирования и теоретической работы исследователи считают, что материал образует слои, похожие на листы лазаньи; в своей работе команда ссылается на особо прочное "молекулярное перекрытие". Даже если эти листы отклоняются в одну сторону и стопка больше не является действительно упорядоченной, электроны все равно могут двигаться горизонтально или вертикально, пока слои соединены друг с другом.
Таким образом, этот новый проводящий материал открывает беспрецедентные возможности и прокладывает путь для принципиально нового принципа проектирования электронной техники. "Это почти как токопроводящая глина: вы можете положить ее на место, и она проводит электричество", — сказал Андерсон.
Одна из интересных особенностей материала заключается в том, что он предлагает новые возможности обработки: в отличие от металлов, которые обычно приходится расплавлять до нужной формы - что означает, что другие компоненты устройства должны выдерживать очень высокую температуру - этот новый материал может быть сформирован при комнатной температуре. Кроме того, его можно использовать практически в любых условиях - в то время как раньше тепло, кислотность, щелочность или влажность ограничивали возможности проектирования.
Сейчас Се и его команда изучают различные формы и функции, которые может выполнять материал. Они рассматривают возможность сделать его двух- или трехмерным, а также сделать его пористым, помимо других функций.