noviembre 29, 2022

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Plastic Conducts Like Metal

Los científicos quedaron asombrados por una sustancia extraña que se puede hacer como el plástico, pero se hace como el metal.

Un grupo de científicos de la Universidad de Chicago ha descubierto una forma de crear un material en el que los fragmentos moleculares se mezclan y desordenan, pero aún pueden conducir muy bien la electricidad. Esto va en contra de todas las reglas que conocemos sobre la conductividad. Arriba está la visualización de la red por parte del artista. Crédito: Ilustración de Frank Wijlowski

‘Como un Play-Doh conductor’: la piratería podría señalar el camino hacia una nueva clase de materiales para dispositivos electrónicos.

Universidad de Chicago Los científicos han descubierto una manera de hacer un material que se puede hacer como el plástico, pero que conduce la electricidad como el metal.

La investigación muestra cómo hacer un tipo de material en el que las partes moleculares se mezclan y se rompen, pero aún pueden conducir muy bien la electricidad. Fue publicado el 26 de octubre en la revista templar la naturaleza.

Esto va en contra de todas las reglas que conocemos sobre la conectividad: para el mundo, es como ver un automóvil que viaja sobre el agua y sigue yendo a 70 mph. Pero el resultado puede ser muy útil. A menudo, en el camino hacia la invención de algo revolucionario, el proceso comienza primero con el descubrimiento de una sustancia completamente nueva.

dijo John Anderson, profesor asociado de química en la Universidad de Chicago y autor principal del estudio. «Esencialmente, sugiere nuevas posibilidades para un grupo tecnológico muy importante de materiales», dijo Jiaze Xie (doctorado número 22, ahora en Princeton), primer autor del artículo.

No hay una teoría fuerte para explicar esto.

Si está fabricando cualquier tipo de dispositivo electrónico, ya sea un iPhone, un panel solar o un televisor, los materiales conductores son absolutamente esenciales. Los metales, como el cobre, el oro y el aluminio, son el grupo de conductores más grande y antiguo. Luego, hace unos 50 años, los científicos pudieron crear conductores hechos de materiales orgánicos, utilizando un tratamiento químico conocido como «dopaje», que esparció varios átomos o «impurezas» por todo el material. El hecho de que estos materiales sean más flexibles y más fáciles de trabajar que los metales convencionales los hace atractivos, pero el problema es que no son particularmente estables y pueden perder su conductividad si se exponen a la humedad o si la temperatura sube demasiado.

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Sin embargo, básicamente, tanto los conductores metálicos orgánicos como los convencionales comparten una propiedad común. Están formados por filas rectas y estrechamente empaquetadas de átomos o moléculas. Esto significa que los electrones pueden fluir fácilmente a través de los materiales, como los automóviles en una carretera. De hecho, los científicos pensaron que el material Fue Tener estas filas rectas y ordenadas para una conducción eficiente de la electricidad.

El plástico se comporta como una estructura de material metálico.

Una ilustración de la estructura del material. Los átomos de níquel se muestran en verde, los átomos de carbono en gris y los átomos de azufre en amarillo. Crédito: Ilustración de Xie et al.

Luego, Xie comenzó a experimentar con algunas sustancias que se habían descubierto hace años, pero que desde entonces han sido ignoradas en gran medida. Unió átomos de níquel como perlas a una cadena de granos moleculares hechos de carbono y azufre, y comenzó a probar.

Para sorpresa de los científicos, el material conduce la electricidad con facilidad y fuerza. Además, era muy estable. “Lo calentamos, lo enfriamos, lo expusimos al aire y la humedad, e incluso lo goteamos agrio Se apoyó en él y no pasó nada», dijo Xie. Esto es muy útil para un dispositivo que tiene que funcionar en el mundo real.

Pero lo más llamativo para los científicos es que la estructura molecular de la sustancia estaba desordenada. «Desde la imagen básica, esto no debería ser de metal», dijo Anderson. «No hay una teoría sólida para explicar esto».

Xie, Anderson y su laboratorio trabajaron con otros científicos de la universidad para tratar de comprender cómo el material podría conducir la electricidad. Después de pruebas, simulaciones y trabajo teórico, creen que el material forma capas, como platos en lasaña. Incluso si las placas se giran hacia los lados y ya no forman una pila de lasaña ordenada, los electrones aún pueden moverse horizontal o verticalmente, siempre que toquen las piezas.

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El resultado final no tiene precedentes para un material conductor. «Es casi como Play-Doh eléctricamente conductivo: puedes aplastarlo en su lugar y conducir la electricidad», dijo Anderson.

Para sorpresa de los científicos, el material conduce la electricidad con facilidad y fuerza.

Los científicos están entusiasmados porque el descubrimiento apunta a un principio de diseño fundamentalmente nuevo para la tecnología electrónica. Explicaron que los conectores son tan importantes que casi cualquier nuevo desarrollo abre nuevas líneas de tecnología.

Una de las propiedades atractivas del material son las nuevas opciones de procesamiento. Por ejemplo, los metales generalmente deben fundirse para darles la forma correcta de un chip o dispositivo, lo que limita lo que puede hacer con ellos, ya que los otros componentes del dispositivo deben poder soportar el calor necesario para procesar estos materiales. .

Anderson Lab en la Universidad de Chicago

Un grupo de científicos de la Universidad de Chicago ha descubierto una forma de crear un material que puede fabricarse como el plástico, pero que conduce la electricidad de forma muy parecida al metal. Arriba, miembros del laboratorio de Anderson trabajando. Crédito: Fotografía de John Zitch/Universidad de Chicago

No existe tal limitación para el nuevo material porque se puede fabricar a temperatura ambiente. También se puede utilizar cuando la necesidad de que un dispositivo o partes de un dispositivo resistan el calor, los ácidos, los alcalinos o la humedad limitaban previamente las opciones de los ingenieros para desarrollar nuevas tecnologías.

El equipo también está explorando las diferentes formas y funciones que podrían tener los materiales. “Creemos que podemos hacerlo en 2D o 3D, hacerlo poroso o incluso proporcionar otra funcionalidad agregando diferentes enlaces o nodos”, dijo Xie.

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Referencia: «Transporte interno de vidrio y metal en un polímero de coordinación amorfo» por Jiaze Xie, Simon Ewing, Jan-Niklas Boyn, Alexander S. Filatov, Baorui Cheng, Tengzhou Ma, Garrett L. Grocke y Norman Zhao, Ram Itani, Xiaotong Sun, Himchan Chu, Zhengyu Chen, Karina W. Chapman, Shresh en Patel, Dmitri V Tallapin, Jewong Park, David A. Maziotti y John S. Anderson, 26 de octubre de 2022, templar la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05261-4

Otros autores del artículo incluyen a los estudiantes graduados de la Universidad de Chicago Norman Chau, Garrett Grok, Ram Itani, Barui Cheng, Tengzhou Ma (PhD21, ahora en materias aplicadas), Simon Ewing (PhD22, ahora en Intel) y Yan-Niklas Bowen (PhD21 , ahora en temas aplicados) 22 Ph.D., ahora en Princeton); Investigador Postdoctoral Xiaotong Sun; el director de instalaciones de investigación de rayos X de UChicago, Alexander S. Filatov; Himchan Cho (anteriormente investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago, ahora en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea); Profesores de UChicago. Schreich en Patel y Dimitri en Talappin, Jeewong Park y David A. Maziotti; y Zhihengyu Chen y la profesora Karena Chapman de la Universidad de Stonybrook.

Financiamiento: Oficina de Investigación del Ejército, un departamento del Laboratorio de Investigación del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.; Departamento de Energía de EE.UU.; Fundación Nacional de Ciencia.