Cientistas da Universidade de Chicago descobriram uma maneira de criar um material que pode ser feito como um plástico, mas conduz eletricidade mais como um metal.
A pesquisa, publicada em 26 de outubro na Nature, mostra como fazer um tipo de material em que os fragmentos moleculares são misturados e desordenados, mas ainda podem conduzir eletricidade extremamente bem.
Isso vai contra todas as regras que conhecemos sobre condutividade – para um cientista, é como ver um carro andando na água e ainda a 110 km/h. Mas a descoberta também pode ser extraordinariamente útil; se você quiser inventar algo revolucionário, o processo geralmente começa com a descoberta de um material completamente novo.
“Em princípio, isso abre o projeto de uma classe totalmente nova de materiais que conduzem eletricidade, são fáceis de moldar e são muito robustos em condições cotidianas”, disse John Anderson, professor associado de química da Universidade de Chicago e da Universidade de Chicago. autor sênior do estudo. “Essencialmente, sugere novas possibilidades para um grupo tecnológico extremamente importante de materiais”, disse Jiaze Xie (Ph.D. ’22, agora em Princeton), o primeiro autor do artigo.
“Não há uma teoria sólida para explicar isso”
Materiais condutores são absolutamente essenciais se você estiver fazendo qualquer tipo de dispositivo eletrônico, seja um iPhone, um painel solar ou uma televisão. De longe, o maior e mais antigo grupo de condutores são os metais: cobre, ouro, alumínio. Então, cerca de 50 anos atrás, os cientistas conseguiram criar condutores feitos de materiais orgânicos, usando um tratamento químico conhecido como “doping”, que espalha diferentes átomos ou elétrons através do material.
Isso é vantajoso porque esses materiais são mais flexíveis e fáceis de processar do que os metais tradicionais, mas o problema é que eles não são muito estáveis; eles podem perder sua condutividade se expostos à umidade ou se a temperatura ficar muito alta.
Mas fundamentalmente, ambos os condutores metálicos orgânicos e tradicionais compartilham uma característica comum. Eles são compostos de fileiras retas e compactas de átomos ou moléculas. Isso significa que os elétrons podem fluir facilmente através do material, como carros em uma estrada. De fato, os cientistas pensavam que um material tinha que ter essas linhas retas e ordenadas para conduzir eletricidade de forma eficiente.
Então Xie começou a experimentar alguns materiais descobertos anos atrás, mas amplamente ignorados. Ele amarrou átomos de níquel como pérolas em um cordão de contas moleculares feitas de carbono e enxofre e começou a testar.
Para espanto dos cientistas, o material conduzia eletricidade com facilidade e força. Além do mais, era muito estável. “Nós o aquecemos, resfriamos, o expusemos ao ar e à umidade e até pingamos ácido e base nele, e nada aconteceu”, disse Xie. Isso é extremamente útil para um dispositivo que precisa funcionar no mundo real.
Mas para os cientistas, o mais impressionante era que a estrutura molecular do material estava desordenada. “De uma imagem fundamental, isso não deveria ser um metal”, disse Anderson. “Não há uma teoria sólida para explicar isso.”
Xie, Anderson e seu laboratório trabalharam com outros cientistas da universidade para tentar entender como o material pode conduzir eletricidade. Depois de testes, simulações e trabalho teórico, eles acham que o material forma camadas, como folhas de uma lasanha. Mesmo que as folhas girem para os lados, deixando de formar uma pilha de lasanha, os elétrons ainda podem se mover horizontalmente ou verticalmente – desde que as peças se toquem.
O resultado final é inédito para um material condutor. “É quase como uma massinha condutora – você pode espremê-la no lugar e ela conduz eletricidade”, disse Anderson.
Os cientistas estão animados porque a descoberta sugere um princípio de design fundamentalmente novo para a tecnologia eletrônica. Os condutores são tão importantes que praticamente qualquer novo desenvolvimento abre novas linhas para a tecnologia, explicaram.
Uma das características atrativas do material são as novas opções de processamento. Por exemplo, os metais geralmente precisam ser derretidos para serem moldados na forma certa para um chip ou dispositivo, o que limita o que você pode fazer com eles, já que outros componentes do dispositivo precisam suportar o calor necessário para processar esses materiais.
O novo material não tem essa restrição porque pode ser feito em temperatura ambiente. Ele também pode ser usado quando a necessidade de um dispositivo ou partes do dispositivo resistirem ao calor, ácido ou alcalinidade ou umidade limitava as opções dos engenheiros para desenvolver novas tecnologias.
A equipe também está explorando as diferentes formas e funções que o material pode ter. “Achamos que podemos torná-lo 2D ou 3D, torná-lo poroso ou até mesmo introduzir outras funções adicionando diferentes links ou nós”, disse Xie.
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