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如果你看到一輛汽車在水面上行駛，卻仍能以每小時(shí)100多千米的速度飛馳，你會(huì)有怎樣的感覺？這就是一組化學(xué)家在看到他們最新的成果時(shí)形容的感受。來自芝加哥大學(xué)的研究人員與他們的合作者發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可以制造出像塑料一樣的材料，但又可以像金屬那樣導(dǎo)電。這種導(dǎo)電性能極好的材料，有著看似雜亂無章的分子碎片，這違背了我們所知的所有導(dǎo)電規(guī)則?，F(xiàn)在，這項(xiàng)研究已于近日發(fā)表在了《自然》雜志上。
突破傳統(tǒng)的新材料不管你想制造什么樣的電子設(shè)備，無論是iPhone、太陽能電池板，還是電視，導(dǎo)電材料都必不可少。截至目前，最古老、也是最大的一類導(dǎo)體是金屬，也就是銅、金、鋁等等。大約50年前，科學(xué)家使用一種被稱為“摻雜”的化學(xué)處理方法，簡單來說就是在材料中“撒”入不同的原子或電子，創(chuàng)造出了由有機(jī)材料制成的導(dǎo)體。這類材料比傳統(tǒng)金屬更柔韌，也更容易加工，但麻煩的是，它們并沒有那么穩(wěn)定。比如，如果暴露在濕度或溫度過高的環(huán)境中，它們可能會(huì)喪失導(dǎo)電性。但從根本上說，無論是有機(jī)導(dǎo)體還是傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體，都有一個(gè)共同點(diǎn)。它們是由筆直而緊密排列的原子或分子組成的。這意味著，電子可以輕易在材料中流動(dòng)，就像高速公路上的汽車一樣。事實(shí)上，科學(xué)家一直認(rèn)為，一種材料必須具有這些筆直有序的排列，才能有效導(dǎo)電。但研究團(tuán)隊(duì)開始探索一些多年前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的、但在很大程度上被忽視的材料，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們將鎳原子像珍珠一樣串到一串由碳和硫制成的分子珠中，隨后開始測試。
材料結(jié)構(gòu)示意圖。鎳原子為綠色，碳原子為灰色，硫原子為黃色。（圖／Xie et al.）令科學(xué)家驚訝的是，這種新材料很容易就能強(qiáng)烈地導(dǎo)電。更重要的是，它非常穩(wěn)定。研究人員嘗試對(duì)它加熱、冷卻，將它暴露在空氣和一定濕度中，甚至將酸和堿滴在了上面，但沒有發(fā)生任何問題。這對(duì)一個(gè)必須在現(xiàn)實(shí)世界中運(yùn)作的設(shè)備來說是非常有幫助的。但是對(duì)科學(xué)家而言，最引人注目的還有，這種材料的分子結(jié)構(gòu)是無序的。從基本的層面來看，這似乎不應(yīng)該能夠成為一種金屬。目前還沒有哪種堅(jiān)實(shí)的理論能解釋這樣的現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)試圖了解這種材料如何能夠?qū)щ?。?jīng)過測試、模擬和理論研究，他們認(rèn)為，這種材料其實(shí)形成了層，簡單理解，那就像千層面中的薄片。即使這些薄片側(cè)向旋轉(zhuǎn)，不再是整齊的千層面，但只要有接觸，電子仍然可以水平或垂直地移動(dòng)。
材料的層次結(jié)構(gòu)示意圖。（圖／Xie et al.）這樣的結(jié)果對(duì)導(dǎo)電材料而言可以說是史無前例的。它差不多就像導(dǎo)電橡皮泥，你可以把它壓到合適的位置，它就能導(dǎo)電。
全新的應(yīng)用可能科學(xué)家相信，這一發(fā)現(xiàn)或許大有用處。如果想發(fā)明一些革命性的東西，往往首先從發(fā)現(xiàn)一種全新的材料開始。原則上，這為設(shè)計(jì)一類全新的材料開辟了道路，這類材料可以導(dǎo)電，易于成型，并且在日常條件下非常堅(jiān)固。從本質(zhì)上講，它為一個(gè)極其重要的技術(shù)類材料提出了新的可能性。這一發(fā)現(xiàn)為電子技術(shù)提出了一個(gè)根本性的新設(shè)計(jì)原則。這種材料的另一個(gè)頗具吸引力的特點(diǎn)是新的加工選擇。例如，金屬通常必須被熔化，才能制成芯片或設(shè)備所需的形狀，這就限制了能用它們做什么，因?yàn)檫@意味著，設(shè)備的其他部件必須能夠承受處理這些材料所需的熱量。這種新材料則沒有這樣的限制，它可以在室溫下制造，也有機(jī)會(huì)用在需要能夠承受熱、酸、堿或潮濕的位置。研究人員仍在探索這種材料可能做出的不同形式和功能。比如，也許可以讓它變成2D或3D材料，或者多孔材料，甚至通過添加不同的連接或結(jié)點(diǎn)，引入其他功能。參考來源：https://news.uchicago.edu/story/university-chicago-scientists-discover-material-can-be-made-plastic-conducts-metalhttps://www.nature.com/articles/s41586-022-05261-4封面圖&首圖：Frank Wegloski
