史无前例的新材料
如果你看到一辆汽车在水面上行驶,却仍能以每小时100多千米的速度飞驰,你会有怎样的感觉?
这就是一组化学家在看到他们最新的成果时形容的感受。来自芝加哥大学的研究人员与他们的合作者发现了一种新方法,可以制造出 像塑料一样的材料,但又可以像金属那样导电 。
这种导电性能极好的材料,有着看似杂乱无章的分子碎片,这 违背了我们所知的所有导电规则 。现在,这项研究已于近日发表在了《自然》杂志上。
突破传统的新材料
不管你想制造什么样的电子设备,无论是iPhone、太阳能电池板,还是电视,导电材料都必不可少。
截至目前,最古老、也是最大的一类导体是 金属 ,也就是铜、金、铝等等。大约50年前,科学家使用一种被称为"掺杂 "的化学处理方法,简单来说就是在材料中"撒"入不同的原子或电子,创造出了由有机材料制成的导体。
这类材料 比传统金属更柔韧,也更容易加工,但麻烦的是,它们并没有那么稳定 。比如,如果暴露在湿度或温度过高的环境中,它们可能会丧失导电性。
但从根本上说,无论是有机导体还是传统金属导体,都有一个共同点。 它们是由笔直而紧密排列的原子或分子组成的 。这意味着,电子可以轻易在材料中流动,就像高速公路上的汽车一样。事实上,科学家一直认为,一种材料必须具有这些笔直有序的排列,才能有效导电。
但研究团队开始探索一些多年前已经被发现的、但在很大程度上被忽视的材料,并进行了实验。他们将镍原子像珍珠一样串到一串由碳和硫制成的分子珠中,随后开始测试。
材料结构示意图。镍原子为绿色,碳原子为灰色,硫原子为黄色。(图/Xie et al.)
令科学家惊讶的是,这种新材料很容易就能强烈地导电。更重要的是,它非常稳定。研究人员尝试对它加热、冷却,将它暴露在空气和一定湿度中,甚至将酸和碱滴在了上面,但没有发生任何问题。这对一个必须在现实世界中运作的设备来说是非常有帮助的。
但是对科学家而言,最引人注目的还有, 这种材料的分子结构是无序的 。从基本的层面来看,这似乎不应该能够成为一种金属。目前还没有哪种坚实的理论能解释这样的现象。
团队试图了解这种材料如何能够导电。经过测试、模拟和理论研究,他们认为, 这种材料其实形成了层 ,简单理解,那就像千层面中的薄片。即使这些薄片侧向旋转,不再是整齐的千层面,但只要有接触,电子仍然可以水平或垂直地移动。
材料的层次结构示意图。(图/Xie et al.)
这样的结果对导电材料而言可以说是史无前例的。它差不多就像导电橡皮泥,你可以把它压到合适的位置,它就能导电。
全新的应用可能
科学家相信,这一发现或许大有用处。如果想发明一些革命性的东西,往往首先从发现一种全新的材料开始。
原则上,这为设计一类全新的材料开辟了道路,这类材料可以导电,易于成型,并且在日常条件下非常坚固。从本质上讲,它为一个极其重要的技术类材料提出了新的可能性。这一发现为电子技术提出了一个根本性的新设计原则。
这种材料的另一个颇具吸引力的特点是 新的加工选择 。例如,金属通常必须被熔化,才能制成芯片或设备所需的形状,这就限制了能用它们做什么,因为这意味着,设备的其他部件必须能够承受处理这些材料所需的热量。
这种新材料则没有这样的限制, 它可以在室温下制造,也有机会用在需要能够承受热、酸、碱或潮湿的位置 。研究人员仍在探索这种材料可能做出的不同形式和功能。比如,也许可以让它变成2D或3D材料,或者多孔材料,甚至通过添加不同的连接或结点,引入其他功能。
参考来源:
https://news.uchicago.edu/story/university-chicago-scientists-discover-material-can-be-made-plastic-conducts-metal
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05261-4
封面图&首图:Frank Wegloski
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