นักวิทยาศาสตร์ค้นพบวัสดุที่ทำเหมือนพลาสติกแต่นำไฟฟ้าได้เหมือนโลหะ

งานวิจัยซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 26 ต.ค. ในวารสาร Natureแสดงให้เห็นวิธีการสร้างวัสดุชนิดหนึ่งที่ชิ้นส่วนโมเลกุลจะยุ่งเหยิงและไม่เป็นระเบียบ แต่ก็ยังสามารถนำไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี สิ่งนี้ขัดกับกฎทั้งหมดที่เรารู้เกี่ยวกับการนำไฟฟ้า -- สำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้ว การเห็นรถแล่นบนน้ำและยังคงแล่นด้วยความเร็ว 70 ไมล์ต่อชั่วโมง แต่การค้นพบนี้อาจมีประโยชน์อย่างยิ่ง หากคุณต้องการประดิษฐ์บางสิ่งที่ปฏิวัติวงการ กระบวนการมักจะเริ่มจากการค้นพบวัสดุใหม่ทั้งหมดก่อน จอห์น แอนเดอร์สัน รองศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกและคณะ กล่าวว่า "โดยหลักการแล้ว นี่เป็นการเปิดการออกแบบวัสดุประเภทใหม่ทั้งหมดที่นำไฟฟ้า ขึ้นรูปง่าย และทนทานมากในสภาวะต่างๆ ในชีวิตประจำวัน" ผู้เขียนอาวุโสในการศึกษา Jiaze Xie (PhD'22, ตอนนี้อยู่ที่ Princeton) กล่าวว่า "โดยพื้นฐานแล้ว มันแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับกลุ่มวัสดุทางเทคโนโลยีที่สำคัญอย่างยิ่ง 'ไม่มีทฤษฎีที่ชัดเจนที่จะอธิบายสิ่งนี้' วัสดุนำไฟฟ้ามีความจำเป็นอย่างยิ่งหากคุณกำลังผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดๆ ไม่ว่าจะเป็น iPhone แผงโซลาร์เซลล์ หรือโทรทัศน์ กลุ่มตัวนำที่เก่าแก่และใหญ่ที่สุดคือโลหะ: ทองแดง ทอง อลูมิเนียม จากนั้นเมื่อประมาณ 50 ปีก่อน นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างตัวนำที่ทำจากวัสดุอินทรีย์ โดยใช้การบำบัดทางเคมีที่เรียกว่า "การเติม" ซึ่งจะโปรยอะตอมหรืออิเล็กตรอนต่างๆ ผ่านวัสดุ นี่เป็นข้อได้เปรียบเนื่องจากวัสดุเหล่านี้มีความยืดหยุ่นและแปรรูปได้ง่ายกว่าโลหะแบบดั้งเดิม แต่ปัญหาคือวัสดุเหล่านี้ไม่เสถียรมากนัก พวกมันสามารถสูญเสียการนำไฟฟ้าได้หากสัมผัสกับความชื้นหรืออุณหภูมิสูงเกินไป แต่โดยพื้นฐานแล้ว ตัวนำโลหะอินทรีย์และโลหะแบบดั้งเดิมทั้งสองนี้มีลักษณะร่วมกัน ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลเป็นแถวเรียงชิดกัน ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านวัสดุได้ง่าย เช่นเดียวกับรถยนต์บนทางหลวง ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์คิดว่าวัสดุต้องมีแถวที่ตรงและเป็นระเบียบเพื่อที่จะนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้น Xie ก็เริ่มทดลองกับวัสดุบางอย่างที่ค้นพบเมื่อหลายปีก่อน แต่ส่วนใหญ่ไม่สนใจ เขาร้อยอะตอมของนิกเกิล เช่น ไข่มุก เข้ากับสายลูกปัดโมเลกุลที่ทำจากคาร์บอนและกำมะถัน แล้วเริ่มทำการทดสอบ สร้างความประหลาดใจให้กับนัก วิทยาศาสตร์ วัสดุนี้นำไฟฟ้าได้ง่ายและแรงมาก ยิ่งไปกว่านั้น มันเสถียรมาก "เราให้ความร้อน แช่เย็น ปล่อยให้สัมผัสกับอากาศและความชื้น กระทั่งหยดกรดและด่างลงบนมัน ไม่มีอะไรเกิดขึ้น" Xie กล่าว สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างมากสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องทำงานในโลกแห่งความเป็นจริง แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้ว สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุนั้นไม่เป็นระเบียบ "จากภาพพื้นฐานแล้ว มันไม่น่าจะเป็นโลหะได้" แอนเดอร์สันกล่าว "ไม่มีทฤษฎีที่ชัดเจนในการอธิบายเรื่องนี้" Xie, Anderson และห้องทดลองของพวกเขาทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในมหาวิทยาลัยเพื่อพยายามทำความเข้าใจว่าวัสดุสามารถนำไฟฟ้าได้อย่างไร หลังจากการทดสอบ การจำลอง และการทำงานเชิงทฤษฎี พวกเขาคิดว่าวัสดุก่อตัวเป็นชั้นๆ เหมือนแผ่นในลาซานญ่า แม้ว่าแผ่นจะหมุนไปด้านข้าง ไม่ก่อตัวเป็นกองลาซานญ่าที่เรียบร้อยอีกต่อไป แต่อิเล็กตรอนยังสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนหรือแนวตั้งได้ ตราบใดที่ชิ้นส่วนสัมผัสกัน ผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนสำหรับวัสดุนำไฟฟ้า “มันเกือบจะเหมือนกับ Play-Doh ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า คุณสามารถทุบมันให้เข้าที่และมันก็นำไฟฟ้าได้” Anderson กล่าว นักวิทยาศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นเพราะการค้นพบนี้ชี้ให้เห็นถึงหลักการออกแบบใหม่โดยพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ตัวนำมีความสำคัญอย่างยิ่งที่การพัฒนาใหม่ ๆ แทบจะเปิดสายเทคโนโลยีใหม่ ๆ พวกเขาอธิบาย คุณลักษณะที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของวัสดุคือตัวเลือกใหม่สำหรับการประมวลผล ตัวอย่างเช่น โดยปกติแล้วโลหะจะต้องถูกหลอมเพื่อให้เป็นรูปร่างที่ถูกต้องสำหรับชิปหรืออุปกรณ์ ซึ่งจำกัดสิ่งที่คุณสามารถทำได้ด้วยโลหะเหล่านี้ เนื่องจากส่วนประกอบอื่นๆ ของอุปกรณ์จะต้องสามารถทนความร้อนที่จำเป็นในการประมวลผลได้ วัสดุเหล่านี้ วัสดุใหม่นี้ไม่มีข้อจำกัดดังกล่าวเนื่องจากสามารถทำที่อุณหภูมิห้องได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในกรณีที่ความต้องการอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนของอุปกรณ์ต้องทนต่อความร้อน กรดหรือด่าง หรือความชื้น ซึ่งก่อนหน้านี้จำกัดทางเลือกของวิศวกรในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ทีมงานยังสำรวจรูปแบบและหน้าที่ต่างๆ ที่วัสดุอาจสร้างขึ้น "เราคิดว่าเราสามารถสร้าง 2 มิติหรือ 3 มิติ ทำให้มีรูพรุน หรือแม้แต่แนะนำฟังก์ชันอื่นๆ โดยการเพิ่มตัวเชื่อมโยงหรือโหนดต่างๆ" Xie กล่าว