Naučnici sa Univerziteta u Čikagu otkrili su način da stvore materijal koji se može napraviti kao plastika, ali provodi struju više kao metal.
Istraživanje, objavljeno 26. oktobra u časopisu Nature, pokazuje kako da se napravi vrsta materijala u kojoj su molekularni fragmenti pomešani i neuređeni, ali i dalje može izuzetno dobro da sprovodi električnu energiju.
Ovo je u suprotnosti sa svim pravilima o provodljivosti za koja znamo – za naučnika je to kao da vidite automobil kako vozi po vodi i dalje ide 70 mph. Ali nalaz bi takođe mogao biti izuzetno koristan; ako želite da izmislite nešto revolucionarno, proces često prvo počinje otkrivanjem potpuno novog materijala.
„U principu, ovo otvara dizajn potpuno nove klase materijala koji provode električnu energiju, lako se oblikuju i veoma su robusni u svakodnevnim uslovima“, rekao je Džon Anderson, vanredni profesor hemije na Univerzitetu u Čikagu i viši autor studije. „U suštini, to sugeriše nove mogućnosti za izuzetno važnu tehnološku grupu materijala“, rekao je Jiaze Ksie (doktorat ’22, sada na Prinstonu), prvi autor rada.
‘Ne postoji čvrsta teorija koja bi ovo objasnila’
Provodni materijali su apsolutno neophodni ako pravite bilo koju vrstu elektronskog uređaja, bilo da je to iPhone, solarni panel ili televizor. Ubedljivo najstarija i najveća grupa provodnika su metali: bakar, zlato, aluminijum. Zatim, pre oko 50 godina, naučnici su mogli da stvore provodnike napravljene od organskih materijala, koristeći hemijski tretman poznat kao „doping“, koji prska različite atome ili elektrone kroz materijal.
Ovo je korisno jer su ovi materijali fleksibilniji i lakši za obradu od tradicionalnih metala, ali problem je što nisu baš stabilni; mogu izgubiti provodljivost ako su izloženi vlazi ili ako temperatura postane previsoka.
Ali u osnovi, oba ovi organski i tradicionalni metalni provodnici dele zajedničku karakteristiku. Sastoje se od ravnih, tesno zbijenih redova atoma ili molekula. To znači da elektroni mogu lako da protiču kroz materijal, slično kao automobili na autoputu. U stvari, naučnici su mislili da materijal mora imati ove ravne, uređene redove da bi efikasno provodio električnu energiju.
Zatim je Ksie počeo da eksperimentiše sa nekim materijalima otkrivenim pre mnogo godina, ali uglavnom ignorisanim. Nanizao je atome nikla poput bisera u niz molekularnih perli napravljenih od ugljenika i sumpora i počeo da testira.
Na zaprepašćenje naučnika, materijal je lako i snažno sprovodio elektricitet. Štaviše, bilo je veoma stabilno. „Zagrejali smo ga, ohladili, izložili vazduhu i vlazi, pa čak i kapali kiselinu i bazu na njega, i ništa se nije dogodilo“, rekao je Ksi. To je od velike pomoći za uređaj koji mora da funkcioniše u stvarnom svetu.
Ali za naučnike, najupečatljivije je bilo to što je molekularna struktura materijala poremećena. „Iz osnovne slike, to ne bi trebalo da bude metal“, rekao je Anderson. „Ne postoji čvrsta teorija koja bi ovo objasnila.“
Ksie, Anderson i njihova laboratorija radili su sa drugim naučnicima širom univerziteta kako bi pokušali da shvate kako materijal može provesti električnu energiju. Posle testova, simulacija i teoretskog rada, smatraju da materijal formira slojeve, poput listova u lazanje. Čak i ako se listovi rotiraju bočno, ne formirajući više uredan snop lazanje, elektroni se i dalje mogu kretati horizontalno ili vertikalno – sve dok se komadi dodiruju.
Krajnji rezultat je bez presedana za provodljivi materijal. „Skoro je kao provodni Plai-Doh – možete ga ugurati na mesto i on sprovodi električnu energiju“, rekao je Anderson.
Naučnici su uzbuđeni jer otkriće sugeriše fundamentalno novi princip dizajna elektronske tehnologije. Provodnici su toliko važni da praktično svaki novi razvoj otvara nove linije za tehnologiju, objasnili su oni.
Jedna od atraktivnih karakteristika materijala su nove mogućnosti obrade. Na primer, metali obično moraju da se istope da bi bili napravljeni u pravi oblik za čip ili uređaj, što ograničava šta možete da napravite od njih, pošto druge komponente uređaja moraju da izdrže toplotu potrebnu za obradu ovih materijala.
Novi materijal nema takva ograničenja jer se može praviti na sobnoj temperaturi. Takođe se može koristiti tamo gde je potreba za uređajem ili delovima uređaja da izdrže toplotu, kiselinu ili alkalnost ili vlažnost ranije ograničavala mogućnosti inženjera da razviju novu tehnologiju.
Tim takođe istražuje različite oblike i funkcije koje materijal može napraviti. „Mislimo da ga možemo učiniti 2D ili 3D, učiniti ga poroznim ili čak uvesti druge funkcije dodavanjem različitih linkera ili čvorova“, rekao je Ksi.
