Un nouveau matériau semblable au plastique qui se comporte comme du métal

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Un groupe de chercheurs de l’Université de Chicago a trouvé un moyen de produire un matériau dans lequel les fragments moléculaires sont mélangés et désordonnés (comme le plastique), mais qui peut encore très bien conduire l’électricité. Cette percée pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de matériaux robustes et faciles à mouler pour l’électronique et de nombreux appareils du quotidien.

Si tous les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés physiques, c’est à cause de leur structure atomique. Les matériaux dits “organisés” (ou cristallins), comme les métaux, sont composés d’atomes, d’ions ou de molécules disposés régulièrement en réseaux. Dans les matériaux “amorphes”, comme le verre, les atomes n’ont pas d’organisation particulière. Enfin, les polymères qui composent les matières plastiques sont liés les uns aux autres, de manière linéaire ou ramifiée.

Entre autres propriétés, la structure interne d’un matériau dicte sa conductivité. Les métaux (argent, cuivre, or, aluminium, etc.) constituent le groupe de conducteurs le plus ancien et le plus important. Cependant, il y a plusieurs décennies, les scientifiques ont réussi à créer des matériaux conducteurs à partir de matériaux organiques ; Pour ce faire, ils ajoutent des “impuretés” en petite quantité audit matériau, un procédé appelé “dopage”. Ces matériaux dopés sont plus flexibles et plus faciles à traiter que les métaux traditionnels, mais ils sont beaucoup moins stables et peuvent perdre leur conductivité dans certaines conditions.

Un contrôleur efficace et particulièrement robuste

Ces matériaux organiques conducteurs (polymères organiques dopés, mais aussi conducteurs moléculaires et nouveaux polymères de coordination) sont à la base de nombreuses technologies, allant de l’affichage à l’électronique flexible. Le dopage permet aux atomes et aux molécules d’être “arrangés” en un réseau bien organisé, comme dans un métal, de sorte que le électrons il peut facilement s’écouler à travers le matériau.

Les scientifiques ont toujours pensé qu’un matériau devait nécessairement avoir une structure atomique ordonnée pour conduire efficacement l’électricité. ” Même les matériaux organiques intrinsèquement conducteurs, tels que les conducteurs moléculaires à un seul composant, doivent être cristallins pour se comporter métalliquement. », soulignent les chercheurs de La nature. Sa découverte jette cependant un doute sur ce principe.

Illustration de la structure matérielle. Les atomes de nickel sont représentés en vert, les atomes de carbone en gris et les atomes de soufre en jaune. © Xie et al.

Jiaze Xie, chercheur au département de chimie de l’université de Chicago, s’est lancé dans de nouvelles expériences avec un polymère de coordination amorphe : le tétrathiafulvalène tétrathiolate de nickel. Fondamentalement, c’est un polymère composé d’atomes de nickel, enfilés comme des perles dans des chaînes composées d’atomes de carbone et de soufre.

Le matériau a non seulement conduit l’électricité facilement et fortement (jusqu’à 1200 S/cm), mais s’est également avéré très stable dans l’air humide pendant des semaines, à un pH de 0 à 14 et à des températures allant jusqu’à 140°C. ” Nous l’avons chauffé, refroidi, exposé à l’air et à l’humidité, et même mis de l’acide et de la base, et rien ne s’est passé. », Xie a dit. Cette robustesse à toute épreuve serait évidemment utile pour une application dans le monde réel.

Une découverte qui multiplie les possibilités du secteur de l’électronique

Ces résultats démontrent que la conception moléculaire peut permettre la conductivité métallique même dans des matériaux hautement désordonnés, soulevant des questions fondamentales sur la façon dont le transport métallique peut exister sans structure périodique, écrivent les chercheurs. En fait, la structure moléculaire du matériau a grandement surpris Xie et son équipe. ” D’un point de vue fondamental, il ne devrait pas pouvoir être un métal. Il n’y a pas de théorie solide pour expliquer cela. a déclaré John Anderson, professeur agrégé de chimie à l’Université de Chicago et auteur principal de l’étude.

Comment ce matériau pourrait-il conduire l’électricité alors qu’en théorie il ne le pourrait pas ? Après divers tests, simulations informatiques et travaux théoriques, les chercheurs pensent que ce matériau forme des couches, comme des feuilles de lasagne ; l’équipe mentionne dans son article “un chevauchement moléculaire particulièrement robuste”. Même si ces feuilles sont inclinées d’un côté et que l’empilement n’est plus vraiment net, les électrons peuvent toujours se déplacer horizontalement ou verticalement, tant que les couches sont connectées les unes aux autres.

Ce nouveau matériau conducteur offre des possibilités sans précédent et ouvre la voie à un principe de conception fondamentalement nouveau pour la technologie électronique. ” C’est presque comme du mastic conducteur : vous pouvez le poser et il conduit l’électricité. dit Anderson.

L’une des caractéristiques intéressantes du matériau est qu’il offre de nouvelles possibilités de traitement : contrairement aux métaux, qui doivent généralement être fondus pour prendre la bonne forme, ce qui signifie que les autres composants de l’appareil doivent pouvoir résister à une chaleur très élevée : ce nouveau matériau peut être moulé à température ambiante. Il peut également être utilisé dans pratiquement n’importe quel environnement, où la chaleur, l’acidité, l’alcalinité ou l’humidité avaient auparavant limité les options de conception.

Xie et son équipe explorent maintenant les différentes formes et fonctions que le matériau pourrait prendre. Ils envisagent notamment de le rendre bidimensionnel ou tridimensionnel, et de le rendre poreux entre autres fonctions.

Police de caractère : J.Xie et al., Nature

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