Niezwykły materiał przewodzi prąd jak metal, można go formować jak plastik

Naukowcy z University of Chicago opracowali sposób na wytwarzanie materiału, który można produkować równie łatwo jak plastik, ale który przewodzi elektryczność tak dobrze, jak metale. Na łamach Nature uczeni opisali, w jaki sposób stworzyć dobrze przewodzący materiał, którego molekuły są nieuporządkowane. Jego istnienie przeczy temu, co wiemy o elektryczności.

Nasze odkrycie pozwala na stworzenie nowej klasy materiałów, które przewodzą elektryczność, są łatwe w kształtowaniu i bardzo odporne na warunki zewnętrzne, mówi jeden z głównych autorów badań, profesor John Anderson. To sugeruje możliwość istnienia nowej grupy materiałów, niezwykle ważnej z technologicznego punktu widzenia, dodaje doktor Jiaze Xie.

Materiały przewodzące są nam niezbędne w codziennym życiu. To dzięki nim funkcjonują urządzenia napędzane prądem elektrycznym. Najstarszą i największa grupą takich materiałów są metale, jak miedź czy złoto. Około 50 lat temu stworzono przewodniki organiczne, w których materiał wzbogacany jest o dodatkowe atomy. Takie przewodniki są bardziej elastyczne i łatwiej jest je przetwarzać niż metale, jednak są mało stabilne i w niekorzystnych warunkach – przy zbyt wysokiej temperaturze czy wilgotności – mogą tracić swoje właściwości.

I metale i przewodniki organiczne mają pewną cechę wspólną – są zbudowane z uporządkowanych molekuł. Dzięki temu elektrony mogą z łatwością się w nich przemieszczać. Naukowcy sądzili więc, że warunkiem efektywnego przewodnictwa jest uporządkowana struktura przewodnika.

Jiaze Xie zaczął jakiś czas temu eksperymentować z wcześniej odkrytymi, jednak w dużej mierze pomijanymi, materiałami. Długie łańcuchy węgla i siarki poprzeplatał atomami niklu. Ku zdumieniu jego i jego kolegów okazało się, że taka nieuporządkowana struktura świetnie przewodzi prąd. Co więcej, okazała się bardzo stabilna. Podgrzewaliśmy nasz materiał, schładzaliśmy, wystawialiśmy na działanie powietrza i wilgoci, nawet zamoczyliśmy w kwasie i nic się nie stało, mówi Xie. Najbardziej jednak zdumiewający był fakt, że struktura materiału była nieuporządkowana. On nie powinien tak dobrze przewodzić prądu. Nie mamy dobrej teorii, która by to wyjaśniała, przyznaje profesor Anderson.

Andreson i Xie poprosili o pomoc innych naukowców ze swojej uczelni, by wspólnie zrozumieć, dlaczego materiał tak dobrze przewodzi elektryczność. Obecnie naukowcy sądzą, że tworzy on warstwy. I pomimo, że poszczególne warstwy nie są uporządkowane, to tak długo, jak się ze sobą stykają, elektrony mogą pomiędzy nimi swobodnie przepływać.

Jedną z olbrzymich zalet nowego materiału jest możliwość łatwego formowania. Metale zwykle trzeba stopić, by uzyskać odpowiedni kształt. To proces nie tylko energochłonny, ale i poważnie ograniczający ich zastosowanie, gdyż oznacza, że inne elementu budowanego układu czy urządzenia muszą wytrzymać wysokie temperatury podczas produkcji. Nowy materiał pozbawiony jest tej wady. Można go uzyskiwać w temperaturze pokojowej i używać tam, gdzie występują wysokie temperatury, środowisko kwasowe, zasadowe czy wysoka wilgotność. Dotychczas wszystkie tego typu zjawiska poważnie ograniczały zastosowanie nowoczesnych technologii.

Badania nad nowym materiałem są finansowane przez Pentagon, Departament Energii oraz Narodową Fundację Nauki.

przewodnictwo metal plastik