Neues kunststoffähnliches Material, das sich wie Metall verhält

Eine Gruppe von Forschern der University of Chicago hat einen Weg gefunden, ein Material herzustellen, in dem die Molekülfragmente gemischt und ungeordnet sind (wie Kunststoff), aber dennoch Strom sehr gut leiten können. Dieser Fortschritt könnte den Weg für eine neue Klasse von Materialien ebnen, die sowohl stark als auch leicht zu formen sind, für Elektronik und viele Alltagsgeräte.

Wenn nicht alle Stoffe die gleichen physikalischen Eigenschaften haben, liegt das an ihrer atomaren Struktur. Sogenannte „organisierte“ (oder kristalline) Substanzen wie Metalle bestehen aus Atomen, Ionen oder Molekülen, die regelmäßig in Netzwerken angeordnet sind. In „amorphen“ Materialien wie Glas haben die Atome keine bestimmte Organisation. Schließlich werden die Polymere, aus denen die Kunststoffe bestehen, linear oder verzweigt miteinander verbunden.

Neben anderen Eigenschaften bestimmt die innere Struktur des Materials seine Leitfähigkeit. Metalle (Silber, Kupfer, Gold, Aluminium etc.) sind die älteste und wichtigste Gruppe von Leitern. Vor einigen Jahrzehnten gelang es Wissenschaftlern, elektrisch leitfähige Materialien aus organischen Materialien herzustellen. Dazu fügen sie der besagten Substanz in geringen Mengen „Verunreinigungen“ hinzu – ein Vorgang, der als „Doping“ bezeichnet wird. Diese dotierten Materialien sind flexibler und leichter zu verarbeiten als herkömmliche Metalle, jedoch weniger stabil und können unter bestimmten Bedingungen an Leitfähigkeit verlieren.

Besonders effizienter und leistungsstarker Treiber

Diese leitfähigen organischen Materialien – dotierte organische Polymere sowie neue molekulare Leiter und Koordinationspolymere – sind die Grundlage vieler Technologien, von Bildschirmen bis hin zu flexibler Elektronik. Durch Dotierung ist es möglich, Atome und Moleküle wie in einem Metall zu einem wohlgeordneten Netzwerk „anzuordnen“. Elektronen Es kann leicht durch das Material fließen.

Wissenschaftler haben lange geglaubt, dass Materie notwendigerweise eine organisierte atomare Struktur haben muss, um Elektrizität effizient zu leiten. “ Sogar organische Materialien, die von Natur aus leitfähig sind, wie z. B. Einkomponenten-Molekularleiter, müssen kristallin sein, um sich metallisch zu verhalten. “, notieren die Forscher bei Natur temperieren. Ihre Entdeckung wirft jedoch Fragen zu diesem Prinzip auf.

Jiaze Xie, ein Forscher am Department of Chemistry der University of Chicago, hat sich vorgenommen, neue Experimente mit einem amorphen Koordinationspolymer durchzuführen: Nickel Tetraterrata. Im Grunde ist es ein Polymer aus Nickelatomen, die wie Perlen an Ketten aus Kohlenstoff- und Schwefelatomen aufgereiht sind.

Das Material leitete nicht nur leicht und stark Strom (bis zu 1200 J/cm), sondern erwies sich auch in feuchter Luft über Wochen, bei pH-Werten von 0 bis 14 und Temperaturen ab 140 °C als äußerst stabil. “ Wir erhitzten es, kühlten es ab, setzten es Luft und Feuchtigkeit aus und gossen sogar Säure und Base darauf, und nichts geschah. „,“ Sagte Shih. Diese starke Haltbarkeit wird offensichtlich für reale Anwendungen sehr nützlich sein.

Eine Entdeckung, die das Potenzial der Elektronikbranche verdoppelt

Diese Ergebnisse zeigen, dass molekulares Design selbst in stark ungeordneten Materialien metallische Leitung ermöglichen kann, was grundlegende Fragen darüber aufwirft, wie metallischer Transport ohne eine periodische Struktur existiert, schrieben die Forscher. Die molekulare Struktur des Materials überraschte Xie und sein Team sehr. “ Aus grundsätzlicher Sicht sollte es kein Metall sein. Es gibt keine starke Theorie, um dies zu erklären sagte John Anderson, außerordentlicher Professor für Chemie an der University of Chicago und Hauptautor der Studie.

Wie kann dieses Material Strom leiten, wenn es theoretisch nicht möglich ist? Nach zahlreichen Tests, Computersimulationen und theoretischen Arbeiten glauben die Forscher, dass diese Substanz Schichten bildet, wie Lasagneblätter. In seinem Artikel erwähnt das Team „besonders starke molekulare Störungen“. Selbst wenn diese Bleche zur Seite gekippt werden und der Stapel nicht mehr wirklich aufgeräumt ist, können sich die Elektronen noch horizontal oder vertikal bewegen, solange die Schichten aneinander haften.

Somit bietet dieses neue leitfähige Material beispiellose Fähigkeiten und ebnet den Weg für ein grundlegend neues Designprinzip für die Elektroniktechnologie. “ Es ist wie leitfähiger Ton: Sie können es platzieren und Strom leiten sagte Anderson.

Eine der interessanten Eigenschaften des Materials ist, dass es neue Verarbeitungsmöglichkeiten bietet: Im Gegensatz zu Metallen, die in der Regel geschmolzen werden müssen, um die richtige Form anzunehmen – was bedeutet, dass andere Komponenten des Geräts einen sehr hohen Anstieg aushalten müssen. Hitze – Diese neue Substanz kann bei Raumtemperatur gebildet werden. Zudem kann es in nahezu jeder Umgebung eingesetzt werden – wo Hitze, Säure, Alkalität oder Feuchtigkeit bisher nur begrenzte Gestaltungsmöglichkeiten hatten.

Xie und ihr Team untersuchen nun die verschiedenen Formen und Funktionen, die das Material annehmen kann. Sie planen speziell, es 2D oder 3D zu machen und es neben anderen Funktionen porös zu machen.

Quelle : J. Xie et al., Nature