Scoperto nuovo materiale come la plastica ma che conduce come i metalli

Gli scienziati dell’Università di Chicago sono riusciti a sviluppare in modo simile alla plastica un materiale in grado condurre l’elettricità come un metallo.

La ricerca è stata pubblicata il 26 ottobre su Nature e dimostra come creare un tipo di materiale in cui i frammenti molecolari sono confusi e disordinati, ma possono comunque condurre l’elettricità molto bene. Proprio a causa della struttura molecolare disordinata, il nuovo materiale sembra disobbedire alle leggi della fisica, perché va contro tutte le regole che conosciamo per la conducibilità. E se è vero che ogni scoperta di un materiale completamente nuovo può portare all’invenzione di qualcosa di rivoluzionario, il nuovo materiale potrebbe diventare l’apripista di una nuova classe di materiali facili da modellare con cui realizzare nuovi dispositivi elettronici.

In linea di principio, questo apre la progettazione di una classe completamente nuova di materiali che conducono elettricità, sono facili da modellare e sono molto robusti nelle condizioni quotidiane. In sostanza, suggerisce nuove possibilità per un gruppo tecnologico estremamente importante di materiali.

John Anderson, professore associato di chimica presso l’Università di Chicago e autore senior dello studio.

I vantaggio di avere conduttori flessibili e modellabili

I materiali conduttivi sono assolutamente essenziali se stai realizzando qualsiasi tipo di dispositivo elettronico, sia esso uno smartphone, un pannello solare o un televisore. Il gruppo di conduttori di gran lunga più antico e numeroso è quello dei metalli: rame, oro, alluminio. Quindi, circa 50 anni fa, gli scienziati sono stati in grado di creare conduttori realizzati con materiali organici, utilizzando un trattamento chimico noto come “doping”, che spruzza diversi atomi o elettroni attraverso il materiale.

Questo è vantaggioso perché questi materiali sono più flessibili e più facili da lavorare rispetto ai metalli tradizionali, ma il problema è che non sono molto stabili; possono perdere la loro conduttività se esposti all’umidità o se la temperatura diventa troppo alta.

Ma c’è una caratteristica fondamentale che accomuna questi conduttori a quelli tradizionali. Sono costituiti da file di atomi o molecole diritte e ravvicinate. Ciò significa che gli elettroni possono fluire facilmente attraverso il materiale. In effetti, gli scienziati pensavano che un materiale dovesse avere una struttura così ordinata e regolare per condurre l’elettricità in modo efficiente.

Come nasce lo studio sul nuovo materiale

Xie iniziò a sperimentare su alcuni materiali scoperti anni fa, ma in gran parte ignorati. Ha infilato atomi di nichel come perline insieme ad altre molecole di carbonio e zolfo e ha iniziato a testare. Con grande stupore degli scienziati, il materiale conduceva facilmente l’elettricità. Inoltre, era molto stabile, e questo è estremamente utile per un dispositivo che deve funzionare nel mondo reale.

Lo abbiamo riscaldato, raffreddato, esposto all’aria e all’umidità e persino gocciolato acido e base su di esso, ma non è successo nulla

Xie, autore dello studio

Ma per gli scienziati, la cosa più sorprendente era che la struttura molecolare del materiale era disordinata. “Da un quadro fondamentale, quello non dovrebbe poter essere un metallo”, ha detto Anderson. “Non c’è una solida teoria per spiegare questo.”

Xie, Anderson e il loro laboratorio hanno lavorato con altri scienziati in giro per l’università per cercare di capire come il materiale potesse condurre l’elettricità. Dopo una serie di test, simulazioni e lavoro teorico, i ricercatori sono giunti alla conclusione che il nuovo materiale potrebbe formare degli strati, come una sorta di lasagna: anche se questi foglietti slittano di lato, non impilandosi più perfettamente, gli elettroni riescono comunque a muoversi orizzontalmente e verticalmente, almeno finché gli strati restano in contatto fra loro. Qualcosa di mai visto prima in un materiale conduttivo.

Il risultato finale è senza precedenti e gli scienziati sono entusiasti perché la scoperta suggerisce un principio di progettazione fondamentalmente nuovo per la tecnologia elettronica. I conduttori sono così importanti che praticamente qualsiasi nuovo sviluppo apre nuove linee per la tecnologia, hanno spiegato.

Sviluppi ed applicazioni future

Una delle caratteristiche interessanti del materiale sono le nuove opzioni di lavorazione. Ad esempio, i metalli di solito devono essere fusi per ottenere la forma giusta per un chip o un dispositivo, il che ne limita l’utilizzo poiché altri componenti del dispositivo devono essere in grado di resistere al calore necessario per la lavorazione.

Il nuovo materiale non ha tale restrizione perché può essere prodotto a temperatura ambiente. Può essere utilizzato anche laddove vi siano parti del dispositivo che devono resistere a calore, acido o alcalinità, o umidità. Il team sta anche esplorando le diverse forme e funzioni che il materiale potrebbe svolgere.

Pensiamo di poterlo rendere 2D o 3D, renderlo poroso o persino introdurre altre funzioni aggiungendo diversi linker o nodi.

Xie