Στη σχετική έρευνα, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature, οι επιστήμονες δείχνουν τον τρόπο δημιουργίας ενός υλικού που παρόλο που τα μόρια του είναι ανακατεμένα και διαταραγμένα, μπορεί να άγει τον ηλεκτρισμό εξαιρετικά καλά. Και αυτό έρχεται σε αντίθεση με όλους τους γνωστούς κανόνες της αγωγιμότητας.
«Ανοίγει τον δρόμο για τον σχεδιασμό μιας εντελώς νέας κατηγορίας υλικών που άγουν τον ηλεκτρισμό, που είναι εύκολο να δημιουργηθούν και που είναι πολύ ανθεκτικά στις καθημερινές συνθήκες», δήλωσε στο PHYS.ORG ο John Anderson, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Ουσιαστικά, προτείνουμε νέες δυνατότητες για μια εξαιρετικά σημαντική τεχνολογική ομάδα υλικών, οι οποίες δεν εξηγούνται με μια σταθερή θεωρία!»
Τα αγώγιμα υλικά είναι απολύτως απαραίτητα για την κατασκευή οποιουδήποτε είδους ηλεκτρονικής συσκευής, είτε πρόκειται για iPhone, ηλιακό πάνελ ή τηλεόραση. Μακράν η παλαιότερη και μεγαλύτερη ομάδα αγωγών είναι τα μέταλλα: χαλκός, χρυσός, αλουμίνιο. Ωστόσο, πριν από περίπου μισό αιώνα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να δημιουργήσουν αγωγούς και από οργανικά υλικά, χρησιμοποιώντας μια χημική επεξεργασία γνωστή ως «ντόπινγκ», η οποία εισάγει διαφορετικά άτομα ή ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό με σκοπό τη διαμόρφωση των ηλεκτρικών, οπτικών και δομικών ιδιοτήτων του.
Η χρήση αυτής της μεθόδου είναι πλεονεκτική επειδή τα υλικά που παράγονται είναι πιο εύκαμπτα και ευκολότερα στην επεξεργασία από τα παραδοσιακά μέταλλα, αλλά το πρόβλημα είναι ότι δεν είναι πολύ σταθερά και μπορεί να χάσουν την αγωγιμότητά τους εάν εκτεθούν σε υγρασία ή σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Βασικά, και οι δύο αυτοί μεταλλικοί αγωγοί (οργανικοί και παραδοσιακοί) μοιράζονται ένα κοινό χαρακτηριστικό. Αποτελούνται από ευθείες, πολύ κοντά τοποθετημένες σειρές ατόμων ή μορίων, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν εύκολα μέσα στο υλικό, όπως τα αυτοκίνητα σε έναν αυτοκινητόδρομο.
Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες είχαν πειστεί ότι ένα υλικό έπρεπε να έχει αυτές τις ευθείες, τακτικές σειρές σωματιδίων για να μεταφέρει αποτελεσματικά την ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, ένας από τους επιστήμονες της μελέτης άρχισε να πειραματίζεται με ορισμένα υλικά που ανακαλύφθηκαν πριν από χρόνια, αλλά που σε μεγάλο βαθμό αγνοήθηκαν. Πήρε άτομα άνθρακα και θείου, τοποθέτησε ανάμεσά τους άτομα νικελίου και άρχισε τις δοκιμές. Προς έκπληξή του, το υλικό που δημιούργησε μπορούσε να άγει εύκολα και ικανοποιητικά τον ηλεκτρισμό. Επιπλέον, ήταν πολύ σταθερό. «Το θερμάναμε, το ψύξαμε, το εκθέσαμε στον αέρα και την υγρασία, στάξαμε ακόμη και οξύ και βάση πάνω του και δεν έπαθε τίποτα», είπε ο Jiaze Xie.
Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο για μια συσκευή που πρέπει να λειτουργεί στον πραγματικό κόσμο. Αλλά για τους επιστήμονες, το πιο εντυπωσιακό ήταν ότι η μοριακή δομή του υλικού ήταν διαταραγμένη. «Από μια θεμελιώδη εικόνα, αυτό δεν θα έπρεπε να είναι μέταλλο», είπε ο Άντερσον, «Και δεν υπάρχει μια παγιωμένη θεωρία για να το εξηγήσει αυτό».
Ο Xie, ο Anderson και το εργαστήριό τους συνεργάστηκαν με άλλους επιστήμονες σε όλο το πανεπιστήμιο για να προσπαθήσουν να καταλάβουν πώς γίνεται αυτό το υλικό να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Μετά από δοκιμές, προσομοιώσεις και θεωρητική εργασία, κατέληξαν στο ότι το υλικό σχηματίζει στρώματα, όπως τα φύλλα στα λαζάνια. Ακόμα κι αν τα φύλλα περιστρέφονται προς τα πλάγια, χωρίς να σχηματίζουν πλέον μια τακτοποιημένη στοίβα από λαζάνια, τα ηλεκτρόνια μπορούν ακόμα να κινηθούν οριζόντια ή κάθετα εφόσον τα κομμάτια εφάπτονται. Το τελικό αποτέλεσμα είναι άνευ προηγουμένου για ένα αγώγιμο υλικό. «Είναι σχεδόν σαν ένα αγώγιμο Play-Doh που μπορείτε να το ζουλήσετε και να μεταφέρει ηλεκτρισμό », είπε ο Άντερσον.
Οι επιστήμονες είναι ενθουσιασμένοι επειδή η ανακάλυψη προτείνει μια θεμελιώδη νέα αρχή σχεδιασμού στην ηλεκτρονική τεχνολογία. Οι αγωγοί είναι τόσο σημαντικοί που ουσιαστικά κάθε νέα εξέλιξη χαράζει νέες γραμμές στο πεδίο, εξήγησαν.
Ένα από τα ελκυστικά χαρακτηριστικά του υλικού είναι οι νέες επιλογές για επεξεργασία. Για παράδειγμα, τα μέταλλα πρέπει συνήθως να λιώσουν για να αποκτήσουν το σωστό σχήμα για τις ανάγκες ενός τσιπ ή μιας συσκευής, γεγονός που περιορίζει τις δυνατότητές τους αν άλλα εξαρτήματα της συσκευής δεν αντέχουν τη θερμότητα που απαιτείται για την επεξεργασία των μετάλλων.
Το νέο υλικό δεν έχει τέτοιο περιορισμό γιατί μπορεί να κατασκευαστεί σε θερμοκρασίες δωματίου. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί εκεί όπου η ανάγκη για μια συσκευή ή κομμάτια της συσκευής να αντέχουν τη θερμότητα, το οξύ ή την αλκαλικότητα ή την υγρασία είχε περιορίσει προηγουμένως τις επιλογές των μηχανικών να αναπτύξουν νέα τεχνολογία.
Η ομάδα διερευνά επίσης τις διαφορετικές μορφές και λειτουργίες που μπορεί να κάνει το υλικό. «Πιστεύουμε ότι μπορούμε να το κάνουμε 2D ή 3D, να το κάνουμε πορώδες ή ακόμα και να εισάγουμε άλλες λειτουργίες προσθέτοντας διαφορετικούς συνδέσμους ή κόμβους», συμπληρώνει ο Xie.
