1: A Chicagói Egyetem tudósai felfedezték, hogyan lehet olyan anyagot előállítani, amely műanyagként készíthető, de inkább vezeti az elektromosságot, mint egy fém.
Az október 26-án a Nature folyóiratban megjelent kutatás megmutatja, hogyan lehet olyan anyagot készíteni, amelyben a molekuláris darabkák kuszák és rendezetlenek, de ennek ellenére rendkívül jól vezetik az elektromosságot. Ez szembemegy a vezetőképességre vonatkozó összes általunk ismert szabállyal — egy tudós számára ez olyan, mintha azt látná, hogy egy autó a vízen halad, és mégis 70 mérföld/órás sebességgel megy. De a felfedezés rendkívül hasznos is lehet; ha valami forradalmi dolgot akarunk feltalálni, a folyamat gyakran egy teljesen új anyag felfedezésével kezdődik.
2: „Elvileg ez egy teljesen új anyagosztály tervezését teszi lehetővé, amely vezeti az elektromosságot, könnyen alakítható, és nagyon robusztus a mindennapi körülmények között” – mondta John Anderson, a Chicagói Egyetem vegyészprofesszora, a tanulmány vezető szerzője. „Lényegében ez új lehetőségeket sugall egy rendkívül fontos technológiai anyagcsoport számára” – mondta Jiaze Xie (PhD’22, jelenleg a Princetonon), a tanulmány első szerzője.
A vezető anyagok elengedhetetlenek, ha bármilyen elektronikus eszközt készítünk, legyen az iPhone, napelem vagy televízió. A vezetők messze legrégebbi és legnagyobb csoportját a fémek alkotják: réz, arany, alumínium. Aztán körülbelül 50 évvel ezelőtt a tudósok képesek voltak szerves anyagokból készült vezetőket létrehozni, egy „doppingolás” néven ismert kémiai kezeléssel, amely különböző atomokat vagy elektronokat szór be az anyagon keresztül. Ez azért előnyös, mert ezek az anyagok rugalmasabbak és könnyebben feldolgozhatók, mint a hagyományos fémek, de a baj az, hogy nem túl stabilak; elveszíthetik vezetőképességüket, ha nedvességnek vannak kitéve, vagy ha a hőmérséklet túl magasra emelkedik.
3: Alapvetően azonban mind ezeknek a szerves és hagyományos fém vezetőknek van egy közös tulajdonságuk. Egyenes, szorosan egymás mellé rendezett atom- vagy molekulasorokból állnak. Ez azt jelenti, hogy az elektronok könnyen áramolhatnak az anyagon keresztül, akárcsak az autók az autópályán. Valójában a tudósok úgy gondolták, hogy egy anyagnak ilyen egyenes, rendezett sorokkal kell rendelkeznie ahhoz, hogy hatékonyan vezesse az elektromosságot.
Ezután Xie kísérletezni kezdett néhány olyan anyaggal, amelyeket már évekkel ezelőtt felfedeztek, de nagyrészt figyelmen kívül hagytak. A nikkelatomokat gyöngyként fűzte fel egy szénből és kénből készült molekuláris gyöngysorba, és elkezdte a tesztelést. A tudósok legnagyobb megdöbbenésére az anyag könnyen és erősen vezette az elektromosságot. Ráadásul nagyon stabil volt. „Melegítettük, hűtöttük, levegőnek és nedvességnek tettük ki, sőt még sav és bázis is csepegett rá, és semmi sem történt” – mondta Xie. Ez rendkívül hasznos egy olyan eszköz esetében, amelynek a való világban kell működnie.
4: A tudósok számára azonban a legmegdöbbentőbb az volt, hogy az anyag molekuláris szerkezete rendezetlen volt. „Alapvető képből nézve, ennek nem szabadna fémnek lennie” – mondta Anderson. „Nincs szilárd elmélet, ami ezt megmagyarázná”.
Xie, Anderson és laboratóriumuk az egyetem más tudósaival együttműködve próbálták megérteni, hogyan képes az anyag vezetni az elektromosságot. A tesztek, szimulációk és elméleti munka után úgy gondolják, hogy az anyag rétegeket képez, mint a lasagne lapjai. Még ha a lapok oldalirányban el is forognak, és már nem alkotnak rendezett lasagne-halmazt, az elektronok akkor is képesek vízszintesen vagy függőlegesen mozogni – mindaddig, amíg a darabok összeérnek. A végeredmény példa nélküli egy vezető anyag esetében. „Ez majdnem olyan, mint a vezető Play-Doh – a helyére lehet nyomni, és vezeti az elektromosságot” – mondta Anderson.
5: A tudósok izgatottak, mert a felfedezés egy alapvetően új tervezési elvet sugall az elektronikai technológia számára. A vezetők olyan fontosak, hogy gyakorlatilag minden új fejlesztés új irányvonalakat nyit a technológia előtt – magyarázták.
Az anyag egyik vonzó tulajdonsága a feldolgozás új lehetőségei. A fémeket például általában meg kell olvasztani ahhoz, hogy egy chip vagy eszköz számára megfelelő formába hozzák, ami korlátozza, hogy mit lehet belőlük készíteni, mivel az eszköz más alkatrészeinek is el kell viselniük az ezen anyagok feldolgozásához szükséges hőt.
Az új anyagnak nincs ilyen korlátozása, mivel szobahőmérsékleten is előállítható. Ott is használható, ahol korábban a mérnökök lehetőségeit korlátozta az új technológia kifejlesztésében, hogy az eszköznek vagy az eszköz darabjainak ellen kell állniuk a hőnek, a savnak vagy lúgosságnak, illetve a nedvességnek. A csapat azt is vizsgálja, hogy az anyag milyen különböző formákat és funkciókat tudna létrehozni. „Úgy gondoljuk, hogy 2-D-s vagy 3-D-s lehet, porózussá tehetjük, vagy akár más funkciókat is bevezethetünk különböző kötőanyagok vagy csomópontok hozzáadásával” – mondta Xie.
Cikk forrása és további részletek: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221026114443.htm
Képek forrása: sciencetimes.com (Illusztráció)
