科学家发现了制造像塑料但导电性像金属的材料制法

诸平

A group of scientists with the University of Chicago have discovered a way to create a material that can be made like a plastic, but conducts electricity more like a metal. Above, members of the Anderson lab at work. Credit: John Zich/University of Chicago

据美国芝加哥大学（University of Chicago）2022年10月26日报道，芝加哥大学的一组科学家们发现了一种可以制造得像塑料但导电性更像金属的材料的方法（Scientists discover material that can be made like a plastic but conducts like a metal）。上图是约翰·安德森（John S. Anderson）实验室的成员们在工作。

芝加哥大学的科学家们发现了一种制造材料的方法，这种材料可以像塑料一样制造，但导电性能更像金属。这项研究结果于2022年10月26日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Jiaze Xie, Simon Ewing, Jan-Niklas Boyn, Alexander S. Filatov, Baorui Cheng, Tengzhou Ma, Garrett L. Grocke, Norman Zhao, Ram Itani, Xiaotong Sun, Himchan Cho, Zhihengyu Chen, Karena W. Chapman, Shrayesh N. Patel, Dmitri V. Talapin, Jiwoong Park, David A. Mazziotti, John S. Anderson. Intrinsic glassy-metallic transport in an amorphous coordination polymer. Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05261-4. Published: 26 October 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05261-4

此研究论文展示了如何制造一种分子碎片杂乱无章，但仍能很好地导电的材料。参与此项研究的除了来自美国芝加哥大学的研究人员之外，还有来自美国纽约州石溪大学（Stony Brook University, New York, USA）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, IL, USA）以及韩国高等科学技术学院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, Dajeon, South Korea）的研究人员。

这违反了我们已知的所有电导率规律——对科学家（scientist）来说，这有点像看到一辆汽车在水上行驶，时速仍为70英里（70 mph约为112 km/h）。但是，这一发现也可能是非常有用的；如果你想发明一些革命性的东西，通常首先要从发现一种全新的材料开始。

芝加哥大学化学副教授、该研究的通讯作者约翰·安德森说：“原则上，这项研究开启了一种全新材料的设计思路，这些材料导电、易于成型、在日常条件下非常坚固。”“从根本上说，它为一种极其重要的材料技术群提供了新的可能性，”该论文的第一作者谢嘉泽（Jiaze Xie音译,22届博士生，现在美国普林斯顿大学）说。

“没有可靠的理论来解释这个问题”（'There isn't a solid theory to explain this'） 

导电材料对于制造任何类型的电子设备来说都是必不可少的，无论是iPhone、太阳能电池板还是电视机。到目前为止，最古老、规模最大的导体是金属：铜、金、铝。然后，大约50年前，科学家们利用一种称为“掺杂（doping）”的化学处理方法，将不同的原子或电子注入到材料中，从而制造出了有机材料的导体。

这种方法的优势在于，这些材料比传统金属更灵活，更容易加工，但问题是它们并不十分稳定；如果暴露在潮湿环境中或温度过高，它们就会失去导电性。

但从根本上说，这些有机导体和传统金属导体都有一个共同的特性。它们是由排列整齐、排列紧密的原子或分子组成的。这意味着电子可以很容易地穿过这种材料，就像高速公路上的汽车一样。事实上，科学家们认为材料必须有这些整齐的直线排列才能有效地传导电能。

然后谢嘉泽开始用几年前发现的一些材料做实验，但大部分人对这些材料都忽略了。他把镍原子像珍珠一样串成一串由碳和硫组成的分子珠，然后开始测试。

令科学家们惊讶的是，这种材料容易且强烈地导电。更重要的是，它非常稳定。谢嘉泽说：“我们把它加热，冷却，暴露在空气和湿度中，甚至在上面滴了酸和碱，但都没有发生什么。”这对于需要在现实世界中正常工作的设备来说非常有用。

但对科学家来说，最惊人的是这种物质的分子结构是无序的。约翰·安德森说：“从基本面来看，这不可能是金属。目前还没有可靠的理论来解释这种情况。”

谢嘉泽、约翰·安德森和他们的实验室与该校的其他科学家合作，试图弄清这种材料是如何导电的。经过测试、模拟和理论研究，他们认为这些材料形成了层状，就像千层面上的薄片一样。即使薄片横向旋转，不再形成整齐的千层面堆叠，只要薄片相接触，电子仍可水平或垂直移动。

最终结果对于导电材料来说是前所未有的。约翰·安德森说：“它就像一个导电的培乐多玩具（Play-Doh），你可以把它压在合适的位置，它就能导电。”

科学家们很兴奋，因为这一发现为电子技术提供了一种全新的设计原理。他们解释说，导体非常重要，几乎任何新的发展都会为技术开辟新的领域。

这种材料的一个吸引人的特性是新的加工选择。例如，金属通常必须经过熔化才能制成适合芯片或设备的形状，这限制了您使用金属制作产品的能力，因为设备的其他组件必须能够承受加工这些材料所需的热量。

这种新材料没有这种限制，因为它可以在室温下生产。它也可以用于需要耐热、耐酸、耐碱或耐湿的设备或设备部件，这在以前限制了工程师开发新技术的选择。

该团队还在探索这种材料可能产生的不同形式和功能。“我们认为我们可以把它变成2D或3D，让它变得多孔，甚至可以通过添加不同的链接器或节点来引入其他功能，”谢嘉泽说。

这项工作得到了美国陆军研究室（Army Research Office under grant no. W911NF-20-1-0091）、美国能源部(US Department of Energy简称DOE)、科学办公室、基础能源科学办公室（US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, under award no. DE-SC0019215）、美国国家科学基金会（National Science Foundation for financial support under award nos CHE-1905290, CHE-1856684, and CHE-2155082）、美国能源部基础能源科学项目（US DOE Basic Energy Sciences under award no. DE-SC0012702）以及美国国家科学基金资助项目（National Science Foundation under award no. DMR-2011854）的支持或资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Unusual material could improve the reliability of electronics and other devices

Abstract

Conducting organic materials, such as doped organic polymers¹, molecular conductors^2,3 and emerging coordination polymers⁴, underpin technologies ranging from displays to flexible electronics⁵. Realizing high electrical conductivity in traditionally insulating organic materials necessitates tuning their electronic structure through chemical doping⁶. Furthermore, even organic materials that are intrinsically conductive, such as single-component molecular conductors^7,8, require crystallinity for metallic behaviour. However, conducting polymers are often amorphous to aid durability and processability⁹. Using molecular design to produce high conductivity in undoped amorphous materials would enable tunable and robust conductivity in many applications¹⁰, but there are no intrinsically conducting organic materials that maintain high conductivity when disordered. Here we report an amorphous coordination polymer, Ni tetrathiafulvalene tetrathiolate, which displays markedly high electronic conductivity (up to 1,200 S cm⁻¹) and intrinsic glassy-metallic behaviour. Theory shows that these properties are enabled by molecular overlap that is robust to structural perturbations. This unusual set of features results in high conductivity that is stable to humid air for weeks, pH 0–14 and temperatures up to 140 ℃. These findings demonstrate that molecular design can enable metallic conductivity even in heavily disordered materials, raising fundamental questions about how metallic transport can exist without periodic structure and indicating exciting new applications for these materials.