Des scientifiques découvrent un matériau qui peut être fabriqué comme du plastique mais qui se conduit comme du métal


Des scientifiques de l’Université de Chicago 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, publiée le 26 octobre dans La nature, 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.

Cela va à l’encontre de toutes les règles que nous connaissons pour la conductivité – pour un scientifique, c’est un peu voir une voiture rouler sur l’eau et continuer à rouler à 70 mph. Mais la découverte pourrait aussi être extraordinairement utile ; si vous voulez inventer quelque chose de révolutionnaire, le processus commence souvent 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 »

Les matériaux conducteurs sont absolument essentiels si vous fabriquez tout type d’appareil électronique, qu’il s’agisse d’un iPhone, d’un panneau solaire ou d’un téléviseur. Le groupe de conducteurs le plus ancien et le plus important est de loin celui des métaux : cuivre, or, aluminium. 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 électrons à travers le matériau. Ceci est avantageux car ces matériaux sont plus flexibles et plus faciles à traiter que les métaux traditionnels, mais le problème est qu’ils ne sont pas très stables ; ils peuvent perdre leur conductivité s’ils sont exposés à l’humidité ou si la température devient trop élevée.

Mais fondamentalement, ces deux 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.

Puis Xie a commencé à expérimenter certains matériaux découverts il y a des années, mais largement ignorés. 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 avons même fait couler de l’acide et de la 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 pour les scientifiques, le plus frappant 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 du Play-Doh conducteur – vous pouvez le mettre en place et il conduit l’électricité », a déclaré Anderson.

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.

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 2-D ou 3-D, le rendre poreux, ou même introduire d’autres fonctions en ajoutant différents lieurs ou nœuds », a déclaré Xie.

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