Des scientifiques étonnés par un matériau étrange qui peut être fabriqué comme du plastique mais qui se conduit comme du métal

« Comme le Play-Doh conducteur » : une percée pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de matériaux pour les appareils électroniques.

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” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>UniversitédeChicago[{“attribute=””>UniversityofChicago les scientifiques ont découvert un moyen de créer un matériau qui peut être fabriqué comme un plastique, mais qui conduit l’électricité plus comme un métal.

La recherche montre comment fabriquer une sorte de matériau dans lequel les fragments moléculaires sont mélangés et désordonnés, mais qui peut encore très bien conduire l’électricité. Il a été publié le 26 octobre dans la revue La nature.

Cela va à l’encontre de toutes les règles que nous connaissons sur la conductivité – pour un scientifique, c’est un peu comme voir une voiture rouler sur l’eau et rouler à 110 km/h. Mais la découverte pourrait également s’avérer extrêmement utile. Souvent, sur le chemin de l’invention de quelque chose de révolutionnaire, le processus commence d’abord par la découverte d’un matériau complètement nouveau.

“En principe, cela ouvre la voie à la conception d’une toute nouvelle classe de matériaux conducteurs d’électricité, faciles à façonner et très robustes dans les conditions quotidiennes”, a déclaré John Anderson, professeur agrégé de chimie à l’Université de Chicago et au auteur principal de l’étude. “Essentiellement, cela suggère de nouvelles possibilités pour un groupe technologique extrêmement important de matériaux”, a déclaré Jiaze Xie (PhD’22, maintenant à Princeton), le premier auteur de l’article.

“Il n’y a pas de théorie solide pour expliquer cela”

Si vous fabriquez n’importe quel type d’appareil électronique, qu’il s’agisse d’un iPhone, d’un panneau solaire ou d’un téléviseur, les matériaux conducteurs sont absolument essentiels. Les métaux, tels que le cuivre, l’or et l’aluminium, sont de loin le groupe de conducteurs le plus ancien et le plus important. Puis, il y a environ 50 ans, les scientifiques ont pu créer des conducteurs fabriqués à partir de matériaux organiques, en utilisant un traitement chimique appelé “dopage”, qui saupoudre différents atomes ou “impuretés” dans tout le matériau. Le fait que ces matériaux soient plus flexibles et plus faciles à travailler que les métaux conventionnels les rend attrayants, mais le problème est qu’ils ne sont pas particulièrement stables et peuvent perdre leur conductivité s’ils sont exposés à l’humidité ou si la température augmente trop.

Cependant, fondamentalement, les conducteurs métalliques organiques et traditionnels partagent une caractéristique commune. Ils sont constitués de rangées droites et serrées d’atomes ou de molécules. Cela signifie que les électrons peuvent facilement circuler à travers le matériau, un peu comme les voitures sur une autoroute. En fait, les scientifiques pensaient qu’un matériau avais d’avoir ces rangées droites et ordonnées afin de conduire efficacement l’électricité.

Illustration de la structure du matériau. Les atomes de nickel sont représentés en vert, les atomes de carbone en gris et les atomes de soufre en jaune. Crédit : Illustration par Xie et al

Puis Xie a commencé à expérimenter certains matériaux découverts il y a des années, mais largement ignorés depuis. Il a enfilé des atomes de nickel comme des perles dans une chaîne de perles moléculaires faites de carbone et de soufre, et a commencé les tests.

Au grand étonnement des scientifiques, le matériau conduisait facilement et fortement l’électricité. De plus, il était très stable. “Nous l’avons chauffé, refroidi, exposé à l’air et à l’humidité, et même égoutté

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>acide[{“attribute=””>acid et base dessus, et rien ne s’est passé », a déclaré Xie. C’est extrêmement utile pour un appareil qui doit fonctionner dans le monde réel.

Mais la chose la plus frappante pour les scientifiques était que la structure moléculaire du matériau était désordonnée. “D’un point de vue fondamental, cela ne devrait pas pouvoir être un métal”, a déclaré Anderson. “Il n’y a pas de théorie solide pour expliquer cela.”

Xie, Anderson et leur laboratoire ont travaillé avec d’autres scientifiques de l’université pour essayer de comprendre comment le matériau peut conduire l’électricité. Après des tests, des simulations et des travaux théoriques, ils pensent que la matière forme des couches, comme des feuilles dans une lasagne. Même si les feuilles tournent latéralement, ne formant plus une pile de lasagnes nettes, les électrons peuvent toujours se déplacer horizontalement ou verticalement, tant que les morceaux se touchent.

Le résultat final est sans précédent pour un matériau conducteur. “C’est presque comme un Play-Doh conducteur – vous pouvez le mettre en place et il conduit l’électricité”, a déclaré Anderson.

Au grand étonnement des scientifiques, le matériau conduisait facilement et fortement l’électricité.

Les scientifiques sont ravis car la découverte suggère un principe de conception fondamentalement nouveau pour la technologie électronique. Les conducteurs sont si importants que pratiquement tout nouveau développement ouvre de nouvelles voies pour la technologie, ont-ils expliqué.

L’une des caractéristiques intéressantes de ce matériau réside dans les nouvelles options de traitement. Par exemple, les métaux doivent généralement être fondus afin d’être façonnés dans la bonne forme pour une puce ou un appareil, ce qui limite ce que vous pouvez faire avec eux, car d’autres composants de l’appareil doivent être capables de résister à la chaleur nécessaire au traitement. ces matériaux.

Un groupe de scientifiques de l’Université de Chicago a découvert un moyen de créer un matériau qui peut être fabriqué comme un plastique, mais qui conduit l’électricité plus comme un métal. Ci-dessus, des membres du laboratoire Anderson au travail. Crédit : Photo de John Zich/Université de Chicago

Le nouveau matériau n’a pas une telle restriction car il peut être fabriqué à température ambiante. Il peut également être utilisé lorsque la nécessité pour un appareil ou des pièces de l’appareil de résister à la chaleur, à l’acide ou à l’alcalinité ou à l’humidité a auparavant limité les options des ingénieurs pour développer une nouvelle technologie.

L’équipe explore également les différentes formes et fonctions que le matériau pourrait avoir. “Nous pensons que nous pouvons le rendre 2D ou 3D, le rendre poreux, ou même introduire d’autres fonctions en ajoutant différents lieurs ou nœuds”, a déclaré Xie.

Référence : « Transport vitreux-métallique intrinsèque dans un polymère de coordination amorphe » par Jiaze Xie, Simon Ewing, Jan-Niklas Boyn, Alexander S. Filatov, Baorui Cheng, Tengzhou Ma, Garrett L. Grocke, Norman Zhao, Ram Itani, Xiaotong Sun , Himchan Cho, Zhihengyu Chen, Karena W. Chapman, Shrayesh N. Patel, Dmitri V. Talapin, Jiwoong Park, David A. Mazziotti et John S. Anderson, 26 octobre 2022, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05261-4

Parmi les autres auteurs de l’article figurent Norman Zhao, Garrett Grocke, Ram Itani, Baorui Cheng, Tengzhou Ma (PhD’21, maintenant chez Applied Materials), Simon Ewing (PhD’22, maintenant chez Intel) et Jan- Niklas Boyn (PhD’22, maintenant à Princeton); le chercheur postdoctoral Xiaotong Sun ; UChicago Directeur des installations de recherche en rayons X Alexander S. Filatov ; Himchan Cho (anciennement chercheur postdoctoral à UChicago, maintenant au Korea Advanced Institute of Science and Technology); UChicago Profs. Shrayesh N. Patel, Dmitri V. Talapin, Jiwoong Park et David A. Mazziotti ; et Zhihengyu Chen et le professeur Karena Chapman de l’Université de Stonybrook.

Financement : Army Research Office, une direction du US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory ; Département américain de l’énergie ; Fondation nationale de la science.