Исследование, опубликованное 26 октября в Природа, показывает, как создать материал, в котором молекулярные фрагменты перемешаны и неупорядочены, но все еще могут чрезвычайно хорошо проводить электричество.

Это противоречит всем известным нам правилам электропроводности - для ученого это все равно что видеть автомобиль, едущий по воде и все еще разгоняющийся до 70 миль в час. Но это открытие также может быть чрезвычайно полезным; если вы хотите изобрести что-то революционное, процесс часто сначала начинается с открытия совершенно нового материала.

"В принципе, это открывает возможности для разработки совершенно нового класса материалов, которые проводят электричество, легко поддаются формовке и очень прочны в повседневных условиях", - сказал Джон Андерсон, адъюнкт-профессор химии Чикагского университета и старший автор исследования. "По сути, это открывает новые возможности для чрезвычайно важной технологической группы материалов", - сказал Цзяцзе Се (22-летний доктор философии, сейчас в Принстоне), первый автор статьи.

"Нет надежной теории, объясняющей это"

Проводящие материалы абсолютно необходимы, если вы создаете любое электронное устройство, будь то iPhone, солнечная панель или телевизор. Безусловно, самая старая и многочисленная группа проводников - это металлы: медь, золото, алюминий. Затем, около 50 лет назад, ученые смогли создать проводники из органических материалов, используя химическую обработку, известную как "легирование", при которой различные атомы или электроны проникают через материал. Это выгодно, потому что эти материалы более гибкие и их легче обрабатывать, чем традиционные металлы, но проблема в том, что они не очень стабильны; они могут потерять свою проводимость при воздействии влаги или при слишком высокой температуре.

Но, по сути, оба этих органических и традиционных металлических проводника имеют общую характеристику. Они состоят из прямых, плотно упакованных рядов атомов или молекул. Это означает, что электроны могут легко проходить через материал, подобно автомобилям на шоссе. На самом деле, ученые думали, что материал имел иметь эти прямые, упорядоченные ряды, чтобы эффективно проводить электричество.

Затем Се начал экспериментировать с некоторыми материалами, открытыми много лет назад, но в основном игнорируемыми. Он нанизал атомы никеля, как жемчужины, на нитку молекулярных шариков, сделанных из углерода и серы, и начал испытания.

К удивлению ученых, материал легко и сильно проводил электричество. Более того, это было очень стабильно. "Мы нагревали его, охлаждали, подвергали воздействию воздуха и влажности и даже капали на него кислотой и щелочью, и ничего не происходило", - сказал Се. Это чрезвычайно полезно для устройства, которое должно функционировать в реальном мире.

Но для ученых самым поразительным было то, что молекулярная структура материала была неупорядоченной. "Исходя из фундаментальной картины, это не должно быть металлом", - сказал Андерсон. "Нет надежной теории, чтобы объяснить это".

Се, Андерсон и их лаборатория работали с другими учеными по всему университету, чтобы попытаться понять, как материал может проводить электричество. После тестов, моделирования и теоретической работы они считают, что материал образует слои, как листы в лазанье. Даже если листы поворачиваются вбок, больше не образуя аккуратную стопку для лазаньи, электроны все равно могут перемещаться по горизонтали или вертикали - до тех пор, пока кусочки соприкасаются.

Конечный результат является беспрецедентным для проводящего материала. "Это почти как проводящий пластилин - вы можете прижать его к месту, и он проводит электричество", - сказал Андерсон.

Ученые взволнованы, потому что это открытие предлагает принципиально новый принцип проектирования электронных технологий. Проводники настолько важны, что практически любая новая разработка открывает новые направления в технологии, объяснили они.

Одной из привлекательных характеристик материала являются новые возможности обработки. Например, металлы обычно приходится расплавлять, чтобы придать им нужную форму для чипа или устройства, что ограничивает возможности их изготовления, поскольку другие компоненты устройства должны выдерживать нагрев, необходимый для обработки этих материалов.

Новый материал не имеет такого ограничения, поскольку его можно изготавливать при комнатной температуре. Он также может быть использован там, где необходимость в том, чтобы устройство или его части выдерживали высокую температуру, кислоту или щелочность, а также влажность, ранее ограничивала возможности инженеров по разработке новой технологии.

Команда также изучает различные формы и функции, которые может выполнять материал. "Мы думаем, что можем сделать его 2-D или 3-D, сделать его пористым или даже ввести другие функции, добавив различные компоновщики или узлы", - сказал Се.